滩地刚性植物消浪作用特性研究.pdf
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1、 年 月水利学报 第 卷第 期文章编号:()收稿日期:;网络首发日期:网络首发地址:?基金项目:广东省水利科技创新项目();广东省科技计划()作者简介:张之琳(),高级工程师,主要从事水动力、水环境研究。:通信作者:黄本胜(),教授级高级工程师,主要从事水力学及河流动力学研究。:滩地刚性植物消浪作用特性研究张之琳,黄本胜,刘达,邱静,(广东省水利水电科学研究院,广东 广州 ;河口水利技术国家地方联合工程实验室,广东 广州 ;南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 )摘要:滩地植物有利于保障沿海地区的水安全,量化成熟期植物消浪作用是提升生态海岸韧性的基础。本文基于一般试验规律和两种波
2、高消减模型,分析提出了新的滩地植物消浪系数计算方法,结合波高条件可计算林带消浪后波高,相关表达式由大量试验数据进行了验证,最后对比了由本文方法与规范方法计算的林带后波高。结果表明,阻尼因数及消浪系数能直观体现植物消浪作用特性,波浪传播方向上植物面积占横截面比例是影响植物消浪机理的关键无量纲参数。植物非淹没时,本文方法得到的林带后波高与规范方法接近;植物淹没时,本文方法能更准确描述植物消浪作用。相较于规范方法,本文方法考虑了植物淹没情况,直观揭示了林带密度、宽度、高度,植物平均直径,水深等参数的影响,适用于更多工况。基于植物消浪作用的模型可快速研判相关参数变化对植物消浪效果的影响,为生态海堤滩地
3、刚性植物规划设计及数模研究提供科学和技术支撑。关键词:植物消浪;波高消减模型;消浪系数;拖曳力系数;物理模型试验中图分类号:文献标识码:?研究背景红树林等滩地植物的消浪作用实质上是波浪与植物相互作用导致波浪能量的耗散,而林带与水体相互作用复杂,量化成熟期滩地植物的消浪作用是提升生态海岸韧性、合理利用滩涂资源的基础 。目前针对植物消浪作用的研究方式主要有原型观测 ,、物模试验 及数模计算 ,其中,植物消浪系数表征波高在林带前后的变化,是量化植物消浪效果的关键系数。原型观测方面,由于观测地点及其地形地貌、植物类型及其种植结构的差异,不同学者观测到的植物消浪作用虽有所差异,但已知盐沼湿地的消浪效果远
4、优于潮泥滩地、林带内波高呈指数衰减等规律 ,。物模研究方面,章家昌 根据试验结果得到植物消浪系数与来波波长、林带宽度、林木主干和枝叶遮蔽系数的定量表达式。虽然后续研究中纳入了波浪类型 、初始波高 、波周期 、波陡 ,、波流耦合作用 、植物淹没度 、植物垂直密度分布 、杆群刚度 、植物形态 等影响因素,但植物消浪系数的计算方法仍是以文献 为主。数模研究中,植物作用一般通过摩擦项体现 ,模型中往往以植物对波浪水流的阻力研究作为机理研究的基础,其中,求解拖曳力系数是量化植被在水中阻力的关键。在以往研究中 ,基于波浪通过林带后波高消减这一规律,根据波高消减模型率定得到阻尼因数,再通过阻尼因数与拖曳力系
5、数及其他易于测量的参数(如滩地水深、平均植物密度)之间的联系,得到拖曳力系数的值,最后通过非线性回归得到拖曳力系数与雷诺数、邱卡数等参数之间的关系式以供数模计算。然而,拖曳力系数受不同试验工况(如植物密度)影响与重要参数呈不同的非线性关系 ,。本文在文献 基础上,基于“林带越宽、植物越密、水深越浅,植物消浪作用越强”的一般试验规律 ,结合 组物模试验结果,分析提出了新的植物消浪系数计算方法,通过 组试验数据开展了验证,并与规范方法结果进行了对比,揭示了影响植物消浪机理的关键无量纲参数,可根据地区消浪要求,结合植物直径、高度和水深、波要素条件,设计合理的植物种植宽度、密度,实现滩涂资源的有效利用
6、。此外,得到的植物拖曳力系数计算方法可为相关数模研究提供基础。理论基础 计算植物消浪系数的规范方法常以波高的变化表征波浪能量的变化,以植物消浪系数量化滩地植物对波浪的消减作用。海堤工程设计规范(?)基于文献 提出防浪林消浪系数()可按下列公式计算:?()?()?()()珚?()珚?()则林带消浪后的波高()为:()()式中:为波长,;为林带宽度,;为入射波高,;为林木枝叶遮蔽系数;为林木主干遮蔽系数;为林木主干的平均直径,;为林木整体(包括主干和枝叶在内)的平均直径,;珚为林木成正方形排列的密度,株?;即 珚为林木成品字形交错排列时的密度。其中,式()的适用范围为 ,。两种波高消减模型波高在种
7、树带中的衰减规律主要可由两种波高消减模型描述。一种是 提出的林带沿程波高()符合互反函数的消减模型:()?()?()(?)()式中:为无量纲缩尺相对波高,()即为消浪系数;为阻尼因数,;()为缩尺阻尼因数;为与林带前端的距离,;为与林带前端的缩尺距离。另一种是 等 根据深度淹没的人工巨藻()试验并假设()(),得到通过林带的沿程波高呈指数消减:()?()()()式中:为指数阻尼因数,;()为缩尺指数阻尼因数,根据已有试验数据其取值范围为 ,)。等 结合两种模型,得到缩尺阻尼因数与缩尺指数阻尼因数的关系式:?()()当植物深淹没消浪效果有限时 ,值接近于 ,值大于但接近于 值,此时 。传统拖曳力
8、系数求解方法 、等 、等 提出了阻尼因数或指数阻尼因数与拖曳力系数()的关系式:?()()()()()()()()()()()()式中:为植物直径,;为单位面积植物数量,株?;为滩地水深,;为波数,;为植物在水中的高度,若植物为非淹没工况其值等于滩地水深 ;为植物平均直径,即波浪传播方向上单位高度的面积。因此,拖曳力系数的率定方法可归纳如下:结合 提出的消减模型式()及阻尼因数与拖曳力系数的关系式();结合式()及 等 建立的关系式();结合 等 提出的消减模型式()及指数阻尼因数与拖曳力系数的关系式();根据式()率定指数阻尼因数,基于关系式()得到阻尼因数,再结合经典关系式()。根据文献
9、分析,方法和仅适用于植物淹没工况,方法和能在植物淹没和非淹没工况下表现良好。将率定得到的拖曳力系数与雷诺数、邱卡数等重要参数关联得到非线性关系式 ,并结合下式是数模中计算水流通过植物杆群的阻力()的常用方法:()式中:为流体密度,?;为阻力面积,;为流速,?。阻尼因数与拖曳力系数植物消浪系数越大代表植物消减波浪能量的作用越强,但式()较复杂且尚未能直观显示影响植物消浪作用的关键因素。根据波高消减模型,若想消浪系数越大,则林带需要更大的(指数)阻尼因数。然而,阻尼因数历来是通过率定得到,现有成果对其仍了解甚少。而且,式()和式()显示,植物平均直径、植物密度、入射波高越小,水深、阻尼因数越大,则
10、拖曳力系数越大。其中,“植物直径、植物密度越小,拖曳力系数越大”与以往对植物消浪效果研究的认识不相符,可能因为式中的阻尼因数本身又与植物直径、植物密度等参数有关,拖曳力系数的大小受多因子共同影响。因此,进一步研究影响阻尼因数的关键因素及定量表达式,有助于增加对植物消浪系数和拖曳力系数的认识。植物消浪作用特性分析图 波浪传播方向上植物面积占横截面比例示意图 阻尼因数法计算植物消浪系数为研究植物消浪作用,本 文 收 集 了 等 、等 、等 、等 等文献中共计 组在水平滩地上开展的消浪试验数据。各试验工况不同,例如模拟植物有的为淹没状态,有的为非淹没状态。首先通过收集的 组数据研究缩尺阻尼因数计算表
11、达式。已有研究表明,种树带情况对波浪的影响巨大,且林带密度()越大,植物消浪效果越好 ;植物淹没度(?)大于等于 时,消浪作用强于其小于 时 ,。结合文献 归纳的一般试验规律,分析得到可以表达林带情况的无量纲参数:波浪传播方向上植物面积占横截面比例?,其中,单位植物占比:?(为 方向距离,);植物数量:。因此,把缩尺阻尼因数看作与具有物理意义的无量纲因子?有关,则该因数可用下式表示:(?)()植物淹没状态是影响植物消浪作用的关键因素之一 ,。因此,区分淹没和非淹没工况,基于不同模拟植物的 组数据进行规划求解,得:?()()式中对于植物非淹没工况 且?,对于淹没工况 。即缩尺阻尼因数在非淹没和淹
12、没工况的表达式分别如式()和式()。不管林带内的 株植物如何排列,以 和 方向的株间距一致计,根据大量试验结果,单位 方向距离、单位高度内植物面积占横截面比例槡的范围为(,)。此外,对于特定工况(以 、等为参数),若想要植物淹没时与非淹没时有相同的缩尺阻尼因数 值,?需要成为非淹没时的 倍,说明在量化植物消浪作用时区分植物淹没情况是必要的:()(非淹没工况)()?()(淹没工况)()阻尼因数法计算植物消浪系数 的表达式为:?()()所有组次植物消浪系数 法的计算值与实测值对比见图 。其中,实测值为根据实测沿程波高和波高消减模型所得的结果;计算值为每组工况根据实测参数由表达式计算得的结果;预测值
13、为根据表达式的理论计算结果。图中不同符号表示不同学者的研究,实心符号表示植物非淹没工况,半填充符号表示植物淹没工况(下同)。结果显示,来自不同实验室的试验数据能较好地被综合分析。组工况得到的实测值与计算值结果接近,线性拟合结果斜率为 ,修订判定系数达 。计算值几乎在预测值 范围内,考虑试验误差,上述消浪系数计算方法是可行的。进一步地,根据式()和()可以快速预测相关参数变化对植物消浪效果的影响。例如,根据试验结果,非淹没林带宽 、密度 株?时植物消浪系数值为 ;根据式(),此时缩尺阻尼因数值为 。当密度 株?时,增加一倍,根据式(),为原来的 倍,即此时 值为 ,对应 值为 ;与试验结果“林带
14、宽、密度 株?时的波高消减率约为 ”一致。指数阻尼因数法计算植物消浪系数类似的,对缩尺指数阻尼因数规划求解得:()(非淹没工况)()?()(淹没工况)()指数阻尼因数法计算植物消浪系数 的表达式为:()()所有组次植物消浪系数 法的计算值与实测值对比见图 。结果显示,组工况得到的实测值与计算值线性关系良好,拟合结果修订判定系数为 ,且计算值基本在预测值 范围内。结果说明式()和()可以较好地描述缩尺指数阻尼因数,与式()搭配可以有效计算植物消浪系数。同理,根据式()至()可以预测参数变化后植物消浪效果的变化情况。例如,根据试验结果,非淹没林带宽 、密度 株?时,根据式(),值为 。增加一倍时,
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