规则波和不规则波在刚性植物区波能衰减的试验研究

张明亮,张洪兴,徐红印,李晋,赵楷宾,乔会婷(.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连603;.盘锦鸳鸯沟国家级海洋公园管理办公室,辽宁盘锦400)

规则波和不规则波在刚性植物区波能衰减的试验研究

张明亮1,张洪兴1,徐红印1,李晋2,赵楷宾1,乔会婷1
(1.大连海洋大学海洋科技与环境学院,辽宁大连116023;2.盘锦鸳鸯沟国家级海洋公园管理办公室,辽宁盘锦124010)

为深入了解湿地植物对近岸波浪的耗散作用,通过物理模型方法,对规则波和不规则波越过岸坡前刚性植被水域的波能衰减进行了试验研究。结果表明:当波浪通过植物区时,有效波高在植物区内逐渐衰减,规则波和不规则波波高消减率分别为29.8%和31.4%;在植物分布密度、波浪周期等参数相同的情况下,刚性植物高度为40 cm,有效波高为8、6、4 cm时,不规则波衰减率分别为41.3%、37.3%和31.3%,规则波有效波高衰减率分别为35%、30.8%和26.1%,无论是规则波还是不规则波,可见入射波浪的波高越大,消波作用越明显;刚性植被高度为40、20 cm植物区的波高(6 cm)衰减率分别为32.3%和21.0%,植物高度越大,波能消减作用效果越好,同样的参数条件,波高h=30 cm的波高衰减率为14.6%,h=40 cm的波高衰减率为9.9%,水深为30 cm时的消波作用优于水深为40 cm时的消波作用,随着水深的增加消波效果降低。本研究结果对于湿地刚性植物与波浪间的相互作用研究提供了参考依据。

规则波;不规则波;波浪传播;刚性植物;波能衰减

近岸海域是人类活动及海洋工程开发建设的重要区域,由于水深的变化、水流作用,以及海底地形和障碍物等因素的影响,近岸海域波浪的传播会发生一系列的变化,产生波浪折射、反射、绕射、波浪破碎等现象[1]。近岸海域的波浪不仅直接对海岸建筑物的安全构成威胁,并且通过其与水流、泥沙的共同作用改变了近岸的水动力环境,因此,护岸工程应运而生。以往的护岸建设工程中,水库护岸多用大型的混凝土预制板,河道护岸多用混凝土直立墙,海岸护岸则多用离岸式防浪堤[2]。最近,学界提出了一种新的生态护岸工程模式,如在岸滩前种植一定宽度的植被群就是一种颇为有效的“软工程方法冶。生态护岸是利用水生植被改变波浪形态,以此改善滩上的水流波浪等动力条件,从而消减波浪能量、影响泥沙的传输,进一步保护海滩免受极端风浪的破坏,该方式是一种有效的可再生生物防护措施[3]。

有植被作用的波浪问题特殊而复杂,是研究近海湿地众多问题的焦点之一。目前,在实验室进行小尺度的植物消波试验研究较多:如刘达等[4]通过模型试验研究了海岸防浪林带种植宽度、排列方式、树种高度和滩地坡度等对消浪效果的影响;姚宇等[5]、吉红香等[6]、杨建民[7]等通过物理模型试验研究了滩地植被对波浪变形、波高衰减、波浪爬高和防波堤波压力的影响;Mei等[8]、Zeng等[9]、Maza等[10]分别研究了孤立波、不规则波越过植被的波能衰减过程和速度的变化。Irtem等[11]研究了在沙质斜坡上种植人造树木对海啸爬坡的影响。Thuy等[12]在沿岸植被带中仅仅存在一个裂口的情况下研究了波浪的爬高情况。但是关于滩地斜坡前规则波、不规则波越过植物的消浪问题鲜有报道。

本试验中,对规则波和不规则波越过植被水域的波高变化进行了研究,对植被前后的波高进行定量分析,探讨刚性植物在不同周期、波高、水深植被高度和密度条件下对波能消减效果的影响,进而解析了植被对波浪传播的影响规律。

1 物理模型试验

试验在大连海洋大学辽宁省海岸工程重点实验室完成,玻璃水槽规格为35 m伊0.7 m伊0.6 m,右侧设有一个岸坡(坡度比1颐7),并设有海绵层进行消波,如图1所示。采用直径为2.5 mm的竹签代替刚性植物,扎结在钻孔塑料薄板上(1.2 m伊0.7 m),与波向正交并固定在水槽底坡上,刚性植物株高分别为20、40 cm。植被的排列分为疏密两种方式:a方式为植物中心间距在长宽上的分布为2 cm伊1 cm;b方式为植物中心间距在长宽上的分布为2 cm伊2 cm。在1.2 m伊0.7 m塑料薄板上,密度高的植物分布方式共放置3500株植物,密度低的放置1750株植物(图2)。

图1 试验水槽及植物位置示意图Fig.1Sketch map of the experimental flume and the vegetation location

图2植物的排列方式Fig.2Vegetation arrangement in the experiment

图1 中,G1、G2、G4、G5分别为4个波高仪的安装位置,用于各观测点记录波高的变化情况。波高仪之间间隔分别为40、60、25 cm,植物模型位于岸坡之前,植物区长度(植被宽度)为1.2 m。G1波高仪在植物模型前20 cm处,G2、G4被安置于植被模型中间部分。G5位于植被区域后,记录波浪经过植被后的波高变化。以G1为原点、波浪传播为正方向建立坐标系,用于标定波高仪位置。试验选取的规则波和不规则波是由JONSWAP频谱生成。水深(h)为30、40 cm时,共采用3种入射波高(H1),分别为4、6、8 cm,相同水深、波高条件下又采用3种不同周期(T),在周期为1.0、1.2、1.4 s下分别进行试验。

试验过程中,依次安排波高和周期由小到大,目的是降低波形变化对数据采集的影响。通过4个站点的波浪数据对有无植被条件的波浪进行分析,用最小平方法分离入射和反射波要素,评估右侧斜坡的波浪反射系数。研究发现,尽管有海绵层吸收波浪,但还有一部分波浪会发射回波浪水槽,总体在4%之内,其对植物区波高衰减影响较小。

2 植被消波作用分析

本试验中,布设的植物高度(VH)分别为20、40 cm,试验水深h分别为30、40 cm,形成植物非淹没和淹没两种状态。

(1)工况1——非淹没状态。在该工况中,水深h为30 cm,植物高度VH为40 cm,植物密度为高密度,采用不同的波高、周期对植物消波性能进行探讨。图3为规则波及不规则波(入射波浪的周期T为1.0 s、波高H1为4 cm)在有、无植被条件下有效波高变化的对比。从图3可知:无论是规则波还是不规则波,无植被作用时,有效波高(H)沿程变化不大;有植被作用下,当波浪通过植物区时,有效波高在植物区内逐渐衰减,规则波和不规则波波高消减率分别为29.8%和31.4%。

图4为植物区内规则波和不规则波(T=1.2 s)在不同入射波高条件下有效波高衰减的对比。对不规则波而言,在刚性40 cm植物区中入射波高H1为8、6、4 cm时,有效波高衰减率分别为41.3%、37.3%和31.3%;对规则波而言,在刚性40 cm植物区中入射波高H1为8、6、4 cm时,有效被高衰减率分别为35%、30.8%和26.1%。由此可见,无论是规则波还是不规则波,随着入射波高的增大,植物区内沿程波高逐渐衰减。

图3有、无植被作用下的波高变化(非淹没状态)Fig.3W ave height variation w ith and w ithout vegeta-tion(non-submerged)

图5 为刚性植被高度VH为40、20 cm时植物区的波高衰减对比,其衰减率分别为32.3%和21.0%,可以看出,在不规则波条件下,波浪消减作用依次为刚性植被高度为40 cm时>刚性植被为20 cm时>无植被时。因此,消浪效果和刚性植被的高度有关,即植物高度越大消浪效果越明显。图6为不同植物密度条件下植物区内有效波高衰减的对比,结果显示,植被密度越大消波效果越明显。

图4 不同入射波高条件下的波高变化(非淹没状态)Fig.4W ave height variation under the conditions of different incident wave heights(nonsubmerged)

图5 不同植物高度条件下的波高对比(非淹没状态)Fig.5Comparison of wave height under different plant height conditions(non-submerged)

(2)工况2——淹没状态。水深h为30 m,植物高度为20 cm,植物密度为低密度,采用不同的波高、周期对植物消波性能进行试验。图7为T=1.2 s时不同波高条件下植被区有效波高衰减的对比。从图7可以看出,在不规则波淹没植被的条件下,随着入射波高增大,沿程有效波高不断衰减。在不规则波条件下,当H1=4 cm、T=1.0 s、VH=20 cm时,在变化水深条件下,有效波高在植物区的衰减对比见图8,h为30、40 cm时,有效波高的衰减率分别为14.6%、9.9%,表明h为30 cm时波高消减作用要大于h为40 cm时。

图6 不同植物密度条件下的波高变化(非淹没状态)Fig.6W ave height variation under the different plant densities(non-submerged)

图7 不同入射波高条件下波高的衰减变化(淹没状态)Fig.7W ave height attenuation under different incident wave height conditions(submerged)

图8 不同水深条件下波高的衰减变化(淹没状态)Fig.8W ave height attenuation under different water depth conditions(submerged)

3 结论

本研究中,在植物区布设若干波高仪,测量波浪通过刚性植物区时的波高变化并进行定量分析,得出刚性植被波浪消减效果。具体结论如下:

(1)植物非淹没状态下,无论是规则波还是不规则波,刚性植被对波浪具有消减作用,随着刚性植物区长度的增加,有效波高逐渐减小,在其他因素(周期、植被高度、水深等)不变的条件下,入射波高越高,植被宽度越大,对波浪的衰减作用越大。

(2)水深、波高、周期和植物密度相同的条件下,无论是规则波还是不规则波,淹没植物(植被高度20 cm)的消浪效果不及非淹没状态(植被高度40 cm)的消浪效果,可见,植物高度越大,波能消减效果越好。

(3)植被淹没状态(植被高度20 cm)下,水深为30 cm时的波能消减效果好于水深40 cm时的波能衰减效果;植物分布形式相同的情况下,植物密度越大,波能衰减效果越明显;无论是规则波还是不规则波,在周期、植被高度、水深等不变的条件下,入射波高越高,淹没植被对波浪的衰减作用越大。

[1]白玉川,杨建民,胡嵋,等.植物消浪护岸模型实验研究[J].海洋工程,2005,23(3):65-69.

[2]赵辉,蔡树伯,刘金来.植物护岸工程技术应用研究[J].农业工程学,2010(17):248,250.

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Energy attenuation of regular and irregular waves in rigid vegetated waters

ZHANG Ming-liang1,ZHANG Hong-xing1,XU Hong-yin1,LIJin2,ZHAO Kai-bin1,QIAO Hui-ting1
(1.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Yuanyanggou National Ocean Park,Panjin 124010,China)

A physicalmodel experiment was carried out to investigate energy attenuation of regular and irregular waves including differentwave heights,wave periods,water depths,and vegetation heights and densities over the rigid vegetation waters before a sloping beach to understand the dissipation effect of wetland plants on near shore waves.The results showed that thewave heightwas found to be gradually decayed significantly in the vegetation ar-ea,with wave attenuation rate of 29.8%in regular wave and 31.4%in irregular wave.The attenuation rate was 41.3%,37.3%,and 31.3%for irregularwave and 35%,30.8%and 26.1%for regular wave atwave height of 8,6,and 4 cm under the same plant density and wave period parameters in 40 cm height rigid plants,respective-ly.Themore significant effect of wave attenuation was observed as the wave height of incidentwave was increased for both regular wave and irregular wave.Thewave height attenuation rate was 32.3%and 21.0%at rigid vegeta-tion height of40 cm and 20 cm(irregularwave,T=1.2 s,H1=6 cm,h=30 cm),respectively,the taller vegeta-tion height leading to the larger wave attenuation as well.Under the same parameters,the wave attenuation rates were 14.6%and 9.9%atwater depth of 30 cm and 40 cm(H1=40 cm,T=1.0 s,VH=20 cm),respectively. There was higher wave attenuation atwater depth of 30 cm than that atwater depth of40 cm,indicating thatwave energy attenuation was declined with the increase in water depth.The findings provide reference with research on relationship between rigid vegetation and wave in a wetland.

regular wave;irregular wave;wave propagation;rigid plant;wave attenuation

P753

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.03.018

2095-1388(2017)03-0369-04

2016-07-15

国家自然科学基金资助项目(51579030);辽宁省自然科学基金优秀人才培育项目(2014020148);辽宁省高等学校优秀人才成长计划项目(LJQ2013077);水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放基金资助项目(SKHL1517)

张明亮(1976—),男,博士,副教授。E-mail:zhmliang_mail@126.com