王銳，冒劉燕，高志峰，徐宿東，劉佰文，殷鍇

（1.江蘇省泰州市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 泰州 225309；2.東南大學(xué)交通學(xué)院港航工程系，江蘇 南京 211189）

在推進長江經(jīng)濟帶發(fā)展以及大運河文化帶建設(shè)的一系列重要批示中，習(xí)近平總書記多次強調(diào)走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路?！督煌◤妵ㄔO(shè)綱要》明確提出將生態(tài)環(huán)保理念貫穿交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)、運營和養(yǎng)護全過程。因此，隨著綠色航道建設(shè)的推進，生態(tài)護岸越來越廣泛地被應(yīng)用于工程實踐，日益成為主要的護岸形式。隨著內(nèi)河船舶向大型化和快速化發(fā)展，船行波對岸坡作用日益顯著，是破壞內(nèi)河限制性航道、造成岸坡塌損的主要原因。如何消減船行波以保護岸坡，并使其兼具生態(tài)效應(yīng)，是目前航道建設(shè)面臨的難題。

近岸水生植物，具有固沙、滯流和部分挑流歸槽作用。水生植物的擺動效應(yīng)、壅水效應(yīng)、植物枝葉的波能耗散效應(yīng)等能夠有效地減弱流速，對船行波的消減起到積極的作用。本文采用XBeach 波浪模型，以江蘇內(nèi)河高等級航道典型斷面為對象，綜合考慮船型、水深和航道邊坡等因素，進行了航政艇、常見貨船和較大貨船三種代表船型的船行波數(shù)值模擬，并采用經(jīng)驗公式對模擬結(jié)果進行了驗證。在此基礎(chǔ)上，以護岸一級平臺寬度4m，種植蘆葦密度850kg/m3，常見貨船為例研究船行波植被消浪效果。研究成果可為植被生態(tài)護岸的建設(shè)和維護提供參考。

1 XBeach 波浪模型

XBeach 模型是由UNESCO.IHE 和荷蘭Delft 大學(xué)等組織聯(lián)合開發(fā)的事件驅(qū)動模型，在航道幾何形狀相對較為復(fù)雜的工況下，XBeach 非靜壓模型能夠很好的預(yù)測航行船與停泊船的水動力相互作用。

XBeach 使用廣義拉格朗日平均方程GLM 作為淺水動量方程，動量方程和連續(xù)性方程中拉格朗日速度、歐拉速度和斯托克斯速度的關(guān)系如下：

其中，us和vs為斯托克斯漂移在x 和y 方向的分量，計算公式如下：

不考慮科氏力影響的GLM 動量方程表達為：

破浪帶的橫向渦粘系數(shù)與波浪和波面滾動能量耗散有關(guān)，其計算公式為：

移動的船舶表現(xiàn)為沿預(yù)先設(shè)置的軌跡在模型范圍中移動的壓力。船舶在單獨的網(wǎng)格上定義，船舶吃水按網(wǎng)格點指定。在每一個計算時間步長，船舶吃水從船舶網(wǎng)格插值到全局網(wǎng)格，其中船舶的體積保持恒定。然后根據(jù)插值后的船舶吃水深度更新每個網(wǎng)格單元的水頭。通過壓力場的移動，船行波就產(chǎn)生了并進一步在整個網(wǎng)格范圍內(nèi)傳播。

2 植被種植前船行波模擬

2.1 航道概況與計算網(wǎng)格劃分

以江蘇內(nèi)河高等級航道典型斷面為研究對象，概化航道航道長度為200m，水深為5m，航道坡度為1:5，水面寬度為100m，網(wǎng)格數(shù)為20000 個，網(wǎng)格模型圖見圖1。

圖1 概化航道網(wǎng)格模型圖

船行波對于航道岸坡的影響主要在濕周處，植物主要種植在近岸淺水水域，為充分考慮種植區(qū)域內(nèi)的波高及流速變化情況，在離岸2m、1m 和水陸交接點分別設(shè)置了測點1、測點2 和測點3，見圖2?？紤]航政艇、常見貨船以及極端型貨船三種船型，船型參數(shù)見表1。提取其中的波高、流速和壓強數(shù)據(jù)進行模擬結(jié)果的論證分析，見表2。

表1 船型參數(shù) (單位：m)

表2 測點波高流速數(shù)據(jù)表

圖2 坡度及測點位置示意圖

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

計算時間步長CFL=0.5，設(shè)置加速系數(shù)morfac=10對模型進行加速，模型運行時間為15 天，模型使用曼寧系數(shù)來表示底部糙率，取值為0.02?？紤]多種船型和不同船速，考慮不同船舶的影響，設(shè)置模型中的船舶大小均為長65m，寬10m，典型船舶速度統(tǒng)一為3m/s，船舶吃水2m。護岸泥沙粒徑D50 設(shè)為0.1mm，泥沙孔隙率設(shè)為0.5，干密度為2400kg/m3，其他參數(shù)值均為模型默認(rèn)值。

2.3 船行波數(shù)值模擬與驗證

在離岸4m、2m、1m 和0m 設(shè)置模型觀測點1，觀測點2，觀測點3，觀測點4，并記錄在船行波模擬過程中產(chǎn)生的波高最大值，見表3。

表3 Xbeach 模型計算模擬船行波情況

分析表3 可知，航政艇和貨船兩類船舶排水體積和航速不同，產(chǎn)生的船行波波列結(jié)構(gòu)不同。前者高頻的船行波次波顯著，后者歷時較長的船行波主波更為顯著，體現(xiàn)了船行波波列結(jié)構(gòu)和能量分布的不同特征。兩類船舶船行波各部分對近底水流流速和底床剪切應(yīng)力的貢獻不同，前者船行波次波誘導(dǎo)的流速分量和底部剪切應(yīng)力貢獻最大；后者船行波主波的貢獻最大。

利用Blaauw 公式、美國陸軍工程團公式分別計算航政艇、貨船常見型和貨船極端型在不同航道參數(shù)條件下產(chǎn)生的船行波最大波高值，與模型模擬值進行驗證對比，見表4。計算結(jié)果表明，XBeach 模型船舶波波高模擬結(jié)果與Blaauw 公式、美國陸軍工程團公式波高計算結(jié)果相近，XBeach 模型構(gòu)建和參數(shù)設(shè)置能較好地模擬所研究航道的船行波情況。

表4 船行波經(jīng)驗公式結(jié)果驗證

3 植被種植后消浪模擬

取護岸一級平臺寬度4m，種植蘆葦，以貨船常見型船舶船行波波高0.4m 為例，模擬植被種植對護岸一級平臺船行波的削減影響，植被消浪模擬地形見圖3。在Xbeach 模型中設(shè)置消浪植被為柔性植被，柔性植被模型的相關(guān)的設(shè)置見表5。模型計算結(jié)果見圖4。

圖3 植被消浪模擬地形圖

圖4 波高對比圖

由圖4 種植柔性植被后波高結(jié)果可以得出，柔性植被對船行波的波高削減在0.1m 左右，而且越靠近岸邊削減作用越明顯，這符合柔性植被消浪效果的客觀規(guī)律和實際情況。進一步分析可知，種植植被可以對船行波產(chǎn)生約20%的削減作用，存在顯著的消浪作用。因此，在4m 寬的一級平臺上種植水生植物以減弱船行波對護岸的沖刷侵蝕是可靠有效的護岸維護措施。

4 結(jié)論與建議

論文利用Xbeach 模型，以江蘇內(nèi)河高等級航道典型斷面為概化航道斷面，建立了船行波數(shù)值模擬模型和植被消浪模擬模型，形成以下結(jié)論：

（1）以航政艇、貨船常見型和貨船極端型三種船型，模擬了不同船速下的船行波波高，并與經(jīng)驗公式計算的船行波最大波高值進行了驗證。

（2）以護岸一級平臺寬度4m，貨船常見型船舶船行波波高0.4m，種植蘆葦密度850kg/m3為例，進行了植被對船舶波消浪模擬。結(jié)果表明，植被可以對船行波產(chǎn)生約20%的削減作用，而且越靠近岸邊削減作用越明顯。

（3）本文僅以護岸一級平臺寬度4m，船行波波高0.4m，種植蘆葦密度850kg/m3為例進行了模擬，研究成果可為植被生態(tài)護岸的建設(shè)和維護提供參考，內(nèi)河高等級航道植被消浪的具體效果尚需更多實例進一步深入分析。