限制性航道生態(tài)護(hù)岸植被消浪數(shù)值模擬

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(jìn)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展以及大運(yùn)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(qiáng)調(diào)走生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展之路。《交通強(qiáng)國(guó)建設(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(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)全過(guò)程。因此，隨著綠色航道建設(shè)的推進(jìn)，生態(tài)護(hù)岸越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于工程實(shí)踐，日益成為主要的護(hù)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(duì)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(hù)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(dòng)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(duì)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(jí)航道典型斷面為對(duì)象，綜合考慮船型、水深和航道邊坡等因素，進(jìn)行了航政艇、常見(jiàn)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(yàn)公式對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，以護(hù)岸一級(jí)平臺(tái)寬度4m，種植蘆葦密度850kg/m3，常見(jiàn)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(hù)岸的建設(shè)和維護(hù)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(dòng)模型，在航道幾何形狀相對(duì)較為復(fù)雜的工況下，XBeach 非靜壓模型能夠很好的預(yù)測(cè)航行船與停泊船的水動(dòng)力相互作用。

XBeach 使用廣義拉格朗日平均方程GLM 作為淺水動(dòng)量方程，動(dòng)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(jì)算公式如下：

不考慮科氏力影響的GLM 動(dòng)量方程表達(dá)為：

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

移動(dòng)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(dòng)的壓力。船舶在單獨(dú)的網(wǎng)格上定義，船舶吃水按網(wǎng)格點(diǎn)指定。在每一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，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(gè)網(wǎng)格單元的水頭。通過(guò)壓力場(chǎng)的移動(dòng)，船行波就產(chǎn)生了并進(jìn)一步在整個(gè)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(jì)算網(wǎng)格劃分

以江蘇內(nèi)河高等級(jí)航道典型斷面為研究對(duì)象，概化航道航道長(zhǎng)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(gè)，網(wǎng)格模型圖見(jiàn)圖1。

圖1 概化航道網(wǎng)格模型圖

船行波對(duì)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(diǎn)分別設(shè)置了測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3，見(jiàn)圖2。考慮航政艇、常見(jiàn)貨船以及極端型貨船三種船型，船型參數(shù)見(jiàn)表1。提取其中的波高、流速和壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬結(jié)果的論證分析，見(jiàn)表2。

表1 船型參數(shù) (單位：m)

表2 測(cè)點(diǎn)波高流速數(shù)據(jù)表

圖2 坡度及測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)CFL=0.5，設(shè)置加速系數(shù)morfac=10對(duì)模型進(jìn)行加速，模型運(yùn)行時(shí)間為15 天，模型使用曼寧系數(shù)來(lái)表示底部糙率，取值為0.02。考慮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(zhǎng)65m，寬10m，典型船舶速度統(tǒng)一為3m/s，船舶吃水2m。護(hù)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(yàn)證

在離岸4m、2m、1m 和0m 設(shè)置模型觀測(cè)點(diǎn)1，觀測(cè)點(diǎn)2，觀測(cè)點(diǎn)3，觀測(cè)點(diǎn)4，并記錄在船行波模擬過(guò)程中產(chǎn)生的波高最大值，見(jiàn)表3。

表3 Xbeach 模型計(jì)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(shí)較長(zhǎng)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(duì)近底水流流速和底床剪切應(yīng)力的貢獻(xiàn)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(xiàn)最大；后者船行波主波的貢獻(xiàn)最大。

利用Blaauw 公式、美國(guó)陸軍工程團(tuán)公式分別計(jì)算航政艇、貨船常見(jiàn)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(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，見(jiàn)表4。計(jì)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(guó)陸軍工程團(tuán)公式波高計(jì)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(yàn)公式結(jié)果驗(yàn)證

3 植被種植后消浪模擬

取護(hù)岸一級(jí)平臺(tái)寬度4m，種植蘆葦，以貨船常見(jiàn)型船舶船行波波高0.4m 為例，模擬植被種植對(duì)護(hù)岸一級(jí)平臺(tái)船行波的削減影響，植被消浪模擬地形見(jiàn)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(jiàn)表5。模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 植被消浪模擬地形圖

圖4 波高對(duì)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(duì)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(shí)際情況。進(jìn)一步分析可知，種植植被可以對(duì)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(jí)平臺(tái)上種植水生植物以減弱船行波對(duì)護(hù)岸的沖刷侵蝕是可靠有效的護(hù)岸維護(hù)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(jí)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(jiàn)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(yàn)公式計(jì)算的船行波最大波高值進(jìn)行了驗(yàn)證。

（2）以護(hù)岸一級(jí)平臺(tái)寬度4m，貨船常見(jiàn)型船舶船行波波高0.4m，種植蘆葦密度850kg/m3為例，進(jìn)行了植被對(duì)船舶波消浪模擬。結(jié)果表明，植被可以對(duì)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(hù)岸一級(jí)平臺(tái)寬度4m，船行波波高0.4m，種植蘆葦密度850kg/m3為例進(jìn)行了模擬，研究成果可為植被生態(tài)護(hù)岸的建設(shè)和維護(hù)提供參考，內(nèi)河高等級(jí)航道植被消浪的具體效果尚需更多實(shí)例進(jìn)一步深入分析。