斜坡非淹沒柔性植物對船行波消減效能的試驗研究

李佳皓 拾兵 倪錦遠

摘 要：本文借助物理模型試驗，研究了船行波與斜坡上種植非淹沒柔性植物的相互作用。通過對不同植物分布密度、不同航速的組合試驗，分析了船行波經過植物后的爬高、回落、流速的變化趨勢。經試驗資料分析，擬合得到了植物分布密度與船行波爬高與回落的消減關系的經驗公式，可為生態航道護岸設計提高技術參考。

關鍵詞：柔性植物;船行波;消波;試驗研究

中圖分類號：U617.8? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）01-0062-03

1引言

在內河航道或狹窄的人工運河中航行的船會形成典型的淺水船行波。船行波會造成岸坡塌損、航道淤積等一系列不利影響。現有研究表明，船行波是造成岸坡破壞的最重要的因素。柔性植物的擺動效應、壅水效應、波能耗散效應等能夠有效的消減船行波的能量，起到碎波、挑流等作用。

在植物消波領域，學者們做了大量的研究。姚宇、杜睿超等研究了斜坡上剛性植物對孤立波的爬高作用[1]。 何飛等研究了不規則波作用下植物消波特性，得出葉的消波效果明顯強于根部的試驗結論[2]。黃本勝等研究了植物護岸對大堤波浪爬高影響，指出在岸灘上種植植物可以有效消減波浪的能量保護岸坡[3]。吳迪等針對柔性植物消浪及沿程阻流特性開展物理模型試驗，分析了柔性植物的消浪及阻流特性[4]。

本文在已有研究成果的基礎上，在前人試驗的基礎上設計新試驗，充分考慮柔性植物的根、莖、葉的影響以及波浪作用下柔性植物的擺動，開展了斜坡上非淹沒柔性植物對船行波的響應的研究。

2 理論分析

研究表明，柔性植物可以對波浪產生積極的響應[5-6]。合理種植斜坡上的植物，可以起到消減波浪能量的作用。探索柔性植物對船行波爬高、回落的消減作用可以為植物生態護岸提供重要的參考。船行波水體經過植物帶后的流速變化可以反映出柔性植物的消能作用。

式中：? ? ? —斜坡糙滲系數。m為斜坡坡度，? ?由公式（1）分析，船行波爬高主要取決于波要素、水深、岸坡糙率等。內河航道岸坡糙率是影響船行波爬高的主要因素。相關研究表明[7]，種植植物可以有效的改變河道的糙度。

試驗探索的是柔性植物對船行波的響應，故需要對植物消波的能力進行分析。柔性植物的消波能力受到多種因素的影響。與統一概化的剛性植物相比，柔性植物的消波機理比較復雜。結合已有的研究結論，本試驗采用下式分析植物消減波浪的能力[8]：

式中： 為水深;為入射波波高; 為波長;為植物樹干型心高度;為植物根部高度;為植物樹冠型心高度;為植物分布密度; 為植物群寬度。

由于自然界中岸坡柔性植物通常具有相同的排布方式和相似的根、莖、葉等部位，所以對船行波的響應方面選擇植物分布密度為主要研究因素。試驗中使用的船模是滿足弗勞德相似的內河航船，各種船體要素是固定的。所以試驗主要探索的是船航速對船行波的影響。

3 試驗布置

試驗采用改變主要因素、忽略次要因素的方式，探索不同的植物分布密度及航速下植物消減船行波的效能。

為考慮波浪作用下柔性植物的擺動，試驗植物是考慮根、莖、葉的比尺1：10的按照重力相似準則和剛度相似準則設計的柔軟塑料制成的柔性植物，統一按照均勻交錯布置。

試驗斷面按照1：10的正態比尺進行縮放，在3m×1m×0.5m（長×寬×深）的靜水船池中進行。試驗航道按照五級航道的標準建立。試驗航道底寬0.35m，長3m，邊坡坡度為1：2。試驗水深13cm。順船航行方向在航道中部斜坡上0.1m×1m（0.1㎡）的斜坡坡面上種植區均勻交錯布置植物。船邊、植物帶后設有電磁流速儀;岸坡上設置精度為0.01mm的水位測針，采用CCD高速相機和水位測針共同測量波浪的爬高。（見圖1）

4 試驗結果討論

4.1 植物分布密度與船行波相對爬高的關系

試驗中的高航速船行波初始爬高為0.030m，回落為0.054m;低航速船行波初始爬高為0.020m，回落為0.050m。

試驗所用的相對爬高、相對回落的概念定義如下：相對回落定義與相對爬高相同。

植物分布密度（單位：株/㎡）是指單位面積上的植物個數，其概念如下：

圖2、圖3分別顯示了采用1.5m/s、2m/s兩種航速條件下植物對船行爬高的響應。根據水深弗勞德數進行計算并觀察船行波的形態，船行波為典型的淺水船行波。分析可知，隨著植物密度增加船行波的相對爬高顯著減小。在植物分布密度超過200株/㎡時，高航速船行波相對爬高的消減降低至0.5以下。在植物分布密度超過400株/㎡時，低航速船行波的相對爬高消減降低至0.5以下。爬高與植物分布密度的關系總體呈現線性函數圖像和性質。運用MATLAB進行公式擬合得到

，由公式分析，低航速船行波的相對爬高函數圖像比高航速船行波的相對爬高函數圖像緩。從而可以得出結論，植物對高航速船所造成的高能量船行波的消減作用更明顯，即植物對大波的消減效果要強于對小波的消減。但植物分布密度增加到一定程度后，兩種船行波的相對爬高會逐漸接近。在植物分布密度較高時，植物對不同船行波的消減能力更加趨于一個穩定的值，此時船行波波要素的變化對植物消減船行波的效能影響較小。

4.2 植物分布密度與船行波相對回落的關系

圖4、圖5分別反映了植物分布密度與高航速、低航速船行波相對回落之間的關系。由圖分析可以得出結論，斜坡上種植柔性植物植物對船行波在岸坡上的回落也有顯著的消減。運用MATLAB對試驗數據進行分析，可以擬合出高航速、低航速船行波的相對回落與植物分布密度函數分別為

綜合分析植物分布密度與船行波相對爬高、相對回落的關系可以得到植物分布密度與船行波相對爬高（回落）的經驗公式：

4.3 植物分布密度與水體相對流速的關系

定義相對流速的概念：

植物分布密度的增加可以顯著消減船行波帶動的水體經過植物的流速。植物對流速的消減非常明顯，100株/㎡的植物就可以消減一半以上的流速。總體分析可知，植物分布密度的增加會降低流速。總體上呈現出隨植物密度增加，相鄰兩個點之差的變化逐漸減緩的態勢。通過對曲線的分析，在植物分布密度400株/㎡之前，植物對高航速船行波流速的消減能力要顯著強于低航速船行波。植物分布密度到一定的值之后，兩種船行波的流速逐漸接近，說明植物分布密度對流速不再有明顯的消減。

船行波經過植物前后流速變化的對比說明植物可以有效消減船行波的能量。合理布置植物，能夠起到有效保護岸坡，消減船行波對岸坡的淘刷、侵蝕等作用。

5? 結語

斜坡上種植植物可以有效的消減船行波。試驗通過在斜坡上種植植物的物理模型試驗，得到了斜坡上種植植物時不同植物分布密度下對船行波的不同響應。研究表明，船行波分布密度與船行波相對爬高、回落有線性函數的關系，該公式可以為護岸的設計提供技術上的參考。同時發現在植物密度增加到一定程度后，再繼續增加植物密度對船行波的消減影響不明顯。該結論可以為植物護岸經濟合理的布置植物提供參考。故通過在斜坡上種植植物，利用植物與現有護岸工程結合，能夠構筑經濟高效的生態型植物護岸，有助于我國新提出的“綠色水運”目標的實現。

參考文獻：

[1]姚宇，杜睿超，袁萬成，蔣昌波.斜坡非淹沒剛性植被影響下孤立波爬高的研究[J].水動力學研究與進展A輯，2015，30（05）：506-515.

[2]何飛. 不規則波作用下植物消波特性實驗研究[A]. 中國海洋學會海洋工程分會.第十八屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集（上）[C].中國海洋學會海洋工程分會：中國海洋學會海洋工程分會，2017：5.

[3]黃本勝，吉紅香.植物護岸對大堤波浪爬高影響試驗初探[J].水利技術監督，2005（03）：43-46.

[4]吳迪，馮衛兵，石麒琳.柔性植物消浪及沿程阻流特性試驗研究[J].人民黃河，014，36（12）：79-81+84.

[5]黃本勝，賴冠文，邱靜，萬鵬.河灘種樹對行洪影響試驗研究.水動力學研究與進展，1999，14（4）：468-474.

[6]DAHOUH-GUEBAS F， JAYATISSA L P， NITTO D， et al. How effective were mangroves as a defense against the recent tsunami[J]. Current Biology， 2005， 15（12）： R443-R447.

[7]拾兵，王川源，尹則高，吳航.淹沒植物對河道糙率的影響[J].中國海洋大學學報（自然科學版），2009，39（02）：295-298+340.

[8]何飛，陳杰，蔣昌波，趙靜.考慮根莖葉影響的剛性植物消浪特性實驗研究[J].水動力學研究與進展（A輯），2017，32（06）：770-778.