海岸植被防護(hù)機制的物理模型試驗研究進(jìn)展

匡翠萍， 叢 新， 范家棟， 李宏義

（同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

由于人們對海岸資源的過度開發(fā)利用，自然岸線受到嚴(yán)重?fù)p害，再加上氣候變化條件下的極端海洋災(zāi)害頻發(fā)，部分海岸尤其是砂質(zhì)海岸嚴(yán)重蝕退。海岸生態(tài)環(huán)境越來越受到人們重視，2020 年國家發(fā)展改革委和自然資源部發(fā)布的2021～ 2035年《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃》中，明確提出全面保護(hù)自然岸線，重點推動典型海洋生態(tài)類型的系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)，綜合開展岸線岸灘修復(fù)、生境保護(hù)修復(fù)、生態(tài)災(zāi)害防治、海洋保護(hù)地建設(shè)等，提高抵御海洋災(zāi)害的能力。力爭2035 年我國海洋生態(tài)惡化的狀況得到全面扭轉(zhuǎn)，自然海岸保有率不低于35%。

在海岸保護(hù)的生態(tài)工程解決方案中離不開植被，保護(hù)、恢復(fù)和利用沿海植被生境，是一項很有前途的戰(zhàn)略，具有顯著的減緩和適應(yīng)氣候變化的能力[1］。在遵循生態(tài)系統(tǒng)的整體性與系統(tǒng)性的同時，研究其內(nèi)在響應(yīng)規(guī)律有利于更科學(xué)地理解自然海岸的動力地貌演變規(guī)律，并對植被生態(tài)修復(fù)工程提供重要指導(dǎo)，研究方法主要包括物理模型試驗、現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬，而物理模型試驗具有可簡化和純化研究過程、可控制研究條件、可再現(xiàn)和重復(fù)研究過程等優(yōu)點，因此大量學(xué)者采用了該研究方法。

本文僅針對使用此方法的相關(guān)研究作了進(jìn)展綜述。首先對物理模型試驗中常用的植被描述方法進(jìn)行了簡要介紹，然后分別從水動力、泥沙運動的角度論述了植被的影響，最后結(jié)合現(xiàn)有成果，提出了海岸植被生態(tài)防護(hù)機制物理模型試驗研究的未來方向，以期為海岸生態(tài)防護(hù)工程和相關(guān)科學(xué)研究提供參考。

1 植被的描述方法

實際生態(tài)環(huán)境中植被多種多樣，試驗前必須首先確定研究區(qū)域的代表植物種類及形態(tài)，選取的代表植物既要便于物理模型試驗的進(jìn)行，又要盡量與實際植物相似。

物理模型試驗?zāi)M的植被分類主要概括為以下三種不同方法：一是按照植被剛度劃分為柔性植被和剛性植被；二是按照植被與水深關(guān)系劃分為挺水植被、沉水植被和浮式植被；三是按照植被生物性狀可劃分為草本、禾本和木本植被。具體海岸植被分區(qū)分類示意如圖1所示。

植被狀態(tài)的描述主要分為淹沒與非淹沒狀態(tài)，當(dāng)水深與植被高度相當(dāng)時，具有一定柔性的植物受水流影響時而挺水時而沉水，根據(jù)挺水或沉水優(yōu)勢可進(jìn)一步劃分，具體如表1 所示。對于植被分布特征的描述方法，最常見的主要是植被的密度，本文介紹以下三種描述方法：植被固相體積分?jǐn)?shù)φ（式（1）[2］）、植被前緣面積參數(shù)φ*（式（2）[3］）、植被長度參數(shù)η（式（3）[4］），式（1）和（2）適用于規(guī)則的圓柱形植被，而式（3）則還需要植被按一定的規(guī)則排布。此外，對植被特征的描述方法還有很多，包括Wu 等[5］提出的相對剛度概念，用來判別植被的變形狀態(tài)；王祥斌等[6］使用的表征植被彎曲變形程度和實際淹沒程度的相對有效高度（植被高度與水深的比值）；蔣昌波等[7］采用的表征植物排列方式的植物排列系數(shù)，及表征植被分布密度和排列方式綜合影響的植物綜合系數(shù)等。

表1 植物分類及狀態(tài)描述Tab. 1 Classification and description of vegetation

式中：m為單位床面面積內(nèi)植被莖干數(shù)量；dv為單顆植被莖干直徑；α為單位草甸體積的植被前緣面積；h為植被高度；n為水動力方向上植被總行數(shù)；Δx、Δz分別為平行、垂直于水動力方向的兩個連續(xù)植被莖干之間的距離。

對于模型植物材料的選擇，由于相同條件下不同植被材料的消浪特性也不同，需要針對模擬的實體植物的形態(tài)大小和性質(zhì)確定，常用的材料有木棒（包括竹棒、竹簽）、塑料、實體植物等，也有學(xué)者直接采用現(xiàn)場植被攜帶其生長底質(zhì)的移植方式，或者通過培養(yǎng)箱直接栽培育苗的方式進(jìn)行試驗，幾種典型試驗植被形式如圖2所示。

圖2 幾種試驗植被形式示意[8-11］Fig. 2 Several types of experimental vegetation

2 植被對水動力的影響

基于生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的植被海岸防護(hù)工程被認(rèn)為是更好更可持續(xù)的方法之一，不同動力環(huán)境（潮流、波浪、床面形態(tài)等）與不同植被特性（布置密度、根莖葉特征、分布形式等）之間的相互作用機理成為各國學(xué)者們研究的熱點話題，而植被對水動力環(huán)境的影響是其他相關(guān)研究的基礎(chǔ)，本節(jié)綜述了植被作用下水動力環(huán)境的響應(yīng)特征，包括潮流、波浪及波流耦合條件。

2.1 流場結(jié)構(gòu)

本節(jié)將從兩種植被類型：沉水植被和挺水植被展開對流暢結(jié)構(gòu)的研究。

2.1.1 沉水植被影響

水流在沉水海草植被作用下由于底部阻力作用產(chǎn)生尾流效應(yīng)，因而具有掩護(hù)效果，如圖3 所示，植被區(qū)內(nèi)及植被區(qū)后方均產(chǎn)生不同形式的紊動和渦流。Villanueva 等[12］研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)工程在低流量區(qū)域?qū)a(chǎn)生更大的掩護(hù)距離，能更好地保護(hù)并提供良好的生境。此外，隨著植被布置橫向?qū)挾戎饾u變窄，流速調(diào)整長度更短、冠層內(nèi)流速更小[11］。海草往往具有不同程度的柔韌性，水流經(jīng)過時，他們通過改變姿態(tài)與流場相互作用。Taphorn 等[13］采用不同力學(xué)和形態(tài)特征的單個植物模型來模擬海草，研究其對流場的影響，提出了流速衰減率與植被抗彎剛度、浮力和特征直徑之間的經(jīng)驗關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)人工柔性海草引起的渦旋脫落頻率低于剛性圓柱形結(jié)構(gòu)。因此，人工海草草甸設(shè)計中需要考慮植被彈性模量、浮力和橫截面尺寸三個主要表征特性。

圖3 簇狀沉水植被主導(dǎo)的水流結(jié)構(gòu)示意[14］Fig. 3 Flow structure dominated by cluster submerged vegetation

隨著研究的逐漸深入，逐漸涌現(xiàn)出針對海岸帶波流耦合條件下的研究，針對沉水剛性植被，布置較稠密時，波流耦合條件下的平均流速明顯低于純流條件；而布置較稀疏時，與純流相比，波流耦合平均流速在底層減小，在上層增加[15］。實際環(huán)境下的植被密度不止表現(xiàn)在水平面上，還在垂向上有所變化[16］，對于垂向變化密度的植被，純波作用時的冠層頂部剪應(yīng)力較小，因此速度及湍流垂向分布較平滑；純流和波流組合作用時，由于冠層頂?shù)牟痪唬趯映叨任蓜樱ㄓ捎诠趯禹敳孔枇Σ贿B續(xù)產(chǎn)生）貫穿整個水體，波流耦合紊動能比純流條件下略有下降，尤其是在接近底部的位置。

2.1.2 挺水植被影響

挺水植被往往分布于較沉水植被更淺水的海岸區(qū)域，不同形態(tài)的植被具有不同的莖干及葉片結(jié)構(gòu)，分布形式也各不相同。當(dāng)植被不完全布滿整個水槽寬度時，植被區(qū)流速結(jié)構(gòu)在縱向上（水流方向）與并列的空槽區(qū)具有不同趨勢，但他們具有相同的縱向調(diào)整距離[17］。Xu 等[18］考慮了兩種不同真實形態(tài)的模擬植被：葉片束集在基部、葉片均勻分布在莖干。對于葉片束集在基部的情況，距離床面越遠(yuǎn)，前緣面積越大，流速、湍渦、紊動能均越小；而對于葉片垂向均勻分布于莖干的植被，流速、湍渦、紊動能的垂向分布是基本均一的。對于紅樹林海岸，分布較密集的呼吸根對護(hù)岸具有重要意義。非均一高度的真實呼吸根有效減小了冠層剪切強度，并使得最大紊動向上方移動，移動距離約為呼吸根高度的標(biāo)準(zhǔn)差；均一高度的模擬木釘呼吸根條件下的床面剪應(yīng)力達(dá)到相同密度下真實呼吸根條件的2 倍，這將會導(dǎo)致對泥沙沉積效率的低估。同時，冠層內(nèi)流速與冠層上方自由流速的比值不隨呼吸根高度、形狀、空間分布而明顯改變[19］。

2.2 消浪特征

消浪特征可通過波高、波壓力、波浪爬高、波能等表征，除了針對一般情況下的規(guī)則波與不規(guī)則波的研究以外，還有針對海嘯波（孤立波）等不同形式波浪的研究。

通常情況下，植物的冠部消波能力最強，其次為桿部和根部，且植物密度越大、相對寬度越大，消波效能越高，但消波效果的增速會隨之放緩[20］。除此以外，消浪效果還與植物的分布方式有關(guān)，彭浩等[21］發(fā)現(xiàn)波浪衰減效果隨入射波高、植被縱向?qū)挾鹊脑龃蠖龃螅抑脖挥裳蜎]狀態(tài)到非淹沒狀態(tài)時，消浪效果隨植被高度的增大而增強[22］。對于浮式植被的消浪裝置，在植物帶高度大于波高的前提下，同樣地，植物帶密度和相對寬度（B/L：B為裝置寬度，L為波長）是影響消浪效果的最重要因素[23］。對于樹狀防浪林來說，水深與樹干樹冠高度的相對關(guān)系均在不同程度上影響消浪效果，在同一相對水深條件下，植被的冠干比越大，消浪效果越好，防浪林的波浪衰減系數(shù)越大[24］。波浪受到植被影響后，不同頻域的波能也發(fā)生轉(zhuǎn)變，規(guī)則波作用下，植物區(qū)產(chǎn)生相對于主頻的二倍頻波浪，隨著波浪穿過植被區(qū)，諧波能量向主頻波浪轉(zhuǎn)移[25］。另外，波壓力也是反應(yīng)波浪特征的重要參數(shù)，在海堤前布置柔性植物能有效減小作用在海堤上最大波壓力，且最大波壓力消減系數(shù)在柔性植物高度與試驗水深一致時達(dá)到最大[26］。植被柔韌性是波浪－植被相互作用中控制波浪衰減和速度結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。柔性植被由于搖曳作用造成的波浪衰減較剛性植被弱，剛性植被改變了速度結(jié)構(gòu)而柔性植被沒有。具體來說，在波浪傳播方向上，剛性植被冠層內(nèi)誘導(dǎo)了一種流動，且在冠層上方水平方向的速度被放大[27］。

波浪衰減作用同樣受到近岸水流的影響，因此波流耦合條件的波浪衰減特征也是一個重要的更貼合實際的研究方向。Zhang 等[28］發(fā)現(xiàn)形似互花米草的柔性模型植被的波能耗散取決于水流流速（Uc）與波速（Uw）的比值，與純波條件相比，較大Uc/Uw值可加強波能耗散。進(jìn)一步地，Hu等[29］使用木棒模擬紅樹林并考慮了波流同向及波流反向條件，研究發(fā)現(xiàn)同向強流將加強植被區(qū)內(nèi)波浪耗散，而隨反向流的增加，與同向流相比，植被內(nèi)波浪耗散被提高到更高水平。在大尺度場地和足夠大的水深條件下，Lara等[8］和Maza 等[30］使用真實植被進(jìn)行了研究，結(jié)果同樣表明波流同向時波浪衰減較小，波流反向時波浪衰減增加。

海嘯波的首波與孤立波相近，因此孤立波成為研究海嘯波首波的方式。與規(guī)則波或隨機波類似，Gong等[31］以水槽試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)與植被相對寬度和相對高度相比，增大植被密度對波高衰減更有效。曾思益等[32］則基于根莖葉定量概化模型探究了植物根、莖、葉對孤立波衰減特性的影響，發(fā)現(xiàn)該影響與根和葉的分布密度、淹沒度及相對波高均相關(guān)。姚宇等[33］得出了孤立波作用下岸灘爬高與相對入射波高、非淹沒剛性植被密度和岸灘坡度的冪函數(shù)經(jīng)驗關(guān)系式。

2.3 形態(tài)阻力

植被以形態(tài)阻力、莖干及葉片運動的形式來減弱水流、耗散波能，對植被主導(dǎo)的水流阻力的全面認(rèn)識至關(guān)重要。目前該方面的研究主要是阻力系數(shù)CD與雷諾數(shù)Re和KC數(shù)（Keulegan-Carpenter數(shù)，用于描述流體中慣性力與黏性力的關(guān)系，KC數(shù)越大表示紊動的影響越大）的關(guān)系。本節(jié)將從水流和波浪兩種動力條件分別展開介紹。

2.3.1 水流作用

對于隨機分布、均一直徑的挺水圓形剛性模擬植被產(chǎn)生的阻力，平均阻力系數(shù)CD隨柱體雷諾數(shù)Re的增加而減小，隨植被密度（φ）的增加而增大[2］。對于柔韌性較強的植被來說，葉片的重構(gòu)是該類植被的重要特征，也對水動力環(huán)境具有重要影響，Zhang等[34］分別使用塑料植被和真實植被，測量了一定速度范圍內(nèi)的單個植物的阻力和形態(tài)，主要通過遮蔽系數(shù)考慮了葉片的遮蔽作用，該系數(shù)是植物形態(tài)、葉片角度、葉片距離和葉片長度的函數(shù)，且從1降低到葉片完全傾覆、莖干水平狀態(tài)下的最小值。對水產(chǎn)養(yǎng)殖類浮式植被海帶來說，海帶葉片和葉柄對總阻力均有貢獻(xiàn)。在海藻葉片基本水平的試驗速度范圍內(nèi)，隨著流速的增加，海帶柄的重構(gòu)縮減了海帶束的垂直范圍。由于這種重構(gòu)，測得的力F隨速度U的增加而增加（F與Uα正相關(guān)，α= 1.35±0.17）[35］。

2.3.2 波浪作用

波浪作用下的植被阻力預(yù)測通常與KC 數(shù)相關(guān)聯(lián)，相較于雷諾數(shù)和厄塞爾數(shù)，KC 數(shù)可更好地預(yù)測阻力系數(shù)，且只有試驗設(shè)置，特別是植被密度，才能影響預(yù)測公式[36］。為了更好描述柔性植被受到波浪作用引起的阻力，建立預(yù)測波浪衰減的理論模型，Zhang 等[37］使用物理模型試驗及現(xiàn)場觀測的數(shù)據(jù)驗證了采用遮蔽系數(shù)解釋葉片和莖干間相互作用帶來的阻力減少作用。通過進(jìn)一步研究波浪作用下葉片和莖干的重構(gòu)，Zhang等[38］發(fā)現(xiàn)雖然葉片表現(xiàn)出比莖干更強的重構(gòu)現(xiàn)象，但他們貢獻(xiàn)了超過70%的植物阻力。重構(gòu)產(chǎn)生的植物阻力大小表現(xiàn)出對波速的依賴性，且弱于波速的二次方。Wang等[39］使用平均孔隙速度（植物單元間的流速）和植被相關(guān)的水力半徑（植被區(qū)水體體積與植被與水接觸表面積之比），重新定義了雷諾數(shù)Re和KC 數(shù)，提出了一種新的CD預(yù)測方法，發(fā)現(xiàn)新的CD值不僅取決于新KC數(shù)，還包括植被淹沒率（與第1 節(jié)提到的相對有效高度算法相同）與厄塞爾數(shù)，該方法的預(yù)測能力有了很大改善。

3 植被對泥沙輸運的影響

植被改變了局部水動力環(huán)境，進(jìn)而通過改變沉積物再懸浮及輸移過程中的挾帶能力影響泥沙沖刷和淤積演變，本節(jié)將從懸沙特征及沖淤模式方面展開綜述。

3.1 懸沙濃度及泥沙再懸浮

懸沙濃度及泥沙再懸浮不僅關(guān)乎該海域沖淤演變過程，同時對水質(zhì)生態(tài)方面也至關(guān)重要，本節(jié)將從不同動力條件分別綜述。

3.1.1 水流作用

為探究挺水植被莖干特征（直徑、密度φ）對紊動和泥沙再懸浮的影響，在Liu 等[40］的試驗范圍內(nèi)，相同泥沙粒徑情況下，泥沙再懸浮的臨界紊動能相同，隨著植被密度的增加，水流紊動增強，因此泥沙再懸浮的臨界流速減小。再懸浮臨界紊動與臨界流速均與莖干直徑無關(guān)。但是對于較密集且/或較小莖干尺寸時，再懸浮將需要更大的能量梯度（更大的床面坡度或水面坡度）。在挺水植被斑塊對水流調(diào)整及流速的影響研究中，如圖4所示，圖中：b為植被布置橫向?qū)挾鹊囊话耄籅為水槽寬的一半；U0為初始水槽平均流速；Ubare（f）為完全發(fā)展區(qū)空槽平均流速；Uveg（f）為完全發(fā)展區(qū)植被內(nèi)平均流速；Uveg（c）為植被內(nèi)泥沙再懸浮臨界流速；Lmin為最小距離，該距離外無莖干尺度紊動；Ld為植被內(nèi)部調(diào)整距離；L為植被斑塊長度。當(dāng)植被不完全布滿水槽整個寬度時，細(xì)沙再懸浮剛剛被抑制時距植被前緣的距離（Lmin）與局部流速降低至生成莖干尺度紊動的位置有關(guān)，且Lmin主要取決于流動阻塞（與阻力系數(shù)和植被所占水平面積相關(guān)）和莖干直徑，較短的Lmin是流動阻塞較大和莖干直徑較小的結(jié)果[41］。使用剛性圓棒模擬沉水植被時，植被陣列減小了水流流速，但由于紊動作用，達(dá)到懸浮狀態(tài)的泥沙量隨植被密度的增大而增多，這可能與植被直徑大小、泥沙粒徑分布、植被淹沒率等因素有關(guān)[42］。懸沙濃度是評價泥沙輸移特征的關(guān)鍵因子，植被內(nèi)的垂向懸沙濃度分布與經(jīng)典的裸床Rouse分布不同，在冠層莖干區(qū)域，垂向分布趨于統(tǒng)一，而在有葉片分布的上部冠層區(qū)域，懸沙濃度則隨著高度增加而減小，懸沙濃度分布反應(yīng)了由植被形態(tài)引起的垂向紊動彌散的不均勻性[43］。

圖4 挺水植被影響下的水流調(diào)整示意[41］Fig. 4 Flow adjustment under the influence of emergent vegetation

3.1.2 波浪作用

波浪是導(dǎo)致掀沙的重要因素，波浪驅(qū)動下，床面紊動能與波速均方根的平方呈線性關(guān)系，沉積物再懸浮的臨界波速與植被密度（φ）相關(guān)[44］。具有發(fā)達(dá)根和根狀莖的大葉藻植被群落對泥沙穩(wěn)定十分重要，Marin-Diaz 等[45］針對其地上和地下生物量對床面泥沙運動的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)暴露在軌道速度27cm·s-1時，地下生物量可減少約一半的推移質(zhì)侵蝕，而懸沙輸運則是相反的效果。在泥質(zhì)系統(tǒng)下，再懸浮使得光照水平降低到大葉藻承受的最小水平之下，這可能是由于大葉藻植被布置斑塊過小，導(dǎo)致增強了植被群落邊緣的紊動及沖刷，因此，為了降低泥沙再懸浮還應(yīng)考慮植被草甸斑塊尺度。

3.1.3 波流耦合作用

為了更真實地模擬現(xiàn)實海岸環(huán)境，Lou 等[46］研究了沉水剛性植被在波流耦合情況下對沉積物懸浮的影響，并考慮了植被的不同布置密度以及垂向上的密度變化。結(jié)果表明，植被引起的紊動是泥沙懸浮的主要驅(qū)動力，植被越密，尤其是垂向密度變化時，泥沙 2懸浮濃度越大。利用有效床面剪切流速，提出了適用于有植被及光灘情況的近底懸沙濃度的指數(shù)形式預(yù)測公式，并考慮垂向紊動強度變化改進(jìn)了基于湍流擴散理論預(yù)測的懸沙垂向分布。

3.2 沖刷與沉積模式

植被影響下，水動力條件是泥沙運動的基礎(chǔ)，而剖面、地貌形態(tài)特征則是泥沙運動的最終表現(xiàn)，本節(jié)將對沖刷和沉積模式的研究展開介紹。

3.2.1 水流作用

不同植被分布特征和形態(tài)特征對床面沖淤具有不同影響，包括植被的密度、排布方式、滲透性、彎曲程度等。對于完全舒展的、具有透水性的單個樹狀植物，水流作用下床面形成兩道細(xì)長的沖刷溝并帶有明顯的山脊；而被緊緊包裹的不透水的相同植被使得沖刷趨于局部化，在觀測區(qū)域內(nèi)形成更多沉積，且其位置距植被更短。對于易彎曲的植被而言，隨著彎曲后投影面積的減少及沉水部分體積的增加，沖刷也相應(yīng)減少，同時將形成更細(xì)長的沖刷溝并向下游擴展[47］。在植被排布方式方面，植被斑塊間的相互作用不容忽視，斑塊間相互作用可促進(jìn)水流流向上的沉積發(fā)展，中心線上的沉積最終導(dǎo)致兩個相鄰斑塊的合并，這是一種橫向斑塊生長的機制。在斑塊對的外側(cè)邊緣存在速度減小區(qū)域，導(dǎo)致沉積增強，但沉積發(fā)展趨勢在流向上比在橫向上擴展得更遠(yuǎn)，因此植被演化發(fā)展主要由流向上沉積發(fā)展區(qū)域控制[9］。當(dāng)植被采用16 個圓形斑塊、斑塊內(nèi)植被莖干隨機分布時，不同組內(nèi)又考慮了斑塊直徑的變化，研究發(fā)現(xiàn)相同流速條件泥沙輸移量隨總莖干數(shù)的增加而增加，但莖干聚集成更小的斑塊直徑時（占底床面積的比例減小）泥沙輸移減小，水槽平均湍流也隨著聚集度的增加而下降，總莖干數(shù)和聚集度成為水槽尺度上很好的泥沙輸移預(yù)測因子，提供了一種描述亞網(wǎng)格尺度植被斑塊對泥沙輸移影響的方法[48］。

沉水植被往往具有更強柔性的葉片，對于橫跨水槽的沉水植被斑塊，縱剖面（順流－垂向）的回旋渦流或湍流擴散決定了尾跡長度，此區(qū)域內(nèi)流速減小、沉積增加，且隨著植被密度減小，回旋渦流向更遠(yuǎn)的下游移動，尾跡長度增大，柔性葉片的存在也擴展了尾跡長度，因而增大了泥沙沉積區(qū)域；相反，圓形植被斑塊布置情況下，尾跡在水平面上（順流－水平側(cè)向）產(chǎn)生振蕩，尾跡不穩(wěn)定的開始決定了沉積區(qū)域的長度。不管是圓形還是橫跨水槽植被斑塊形態(tài)，沉積量越大，沉積區(qū)域越長[14］。Zhang 等[3］研究了沉水植被前緣區(qū)域和完全發(fā)展區(qū)域（圖5，h為植被高度；H為水深；XD為初始水流調(diào)整長度；ū為時均流速；δe為剪切層穿透植被內(nèi)的穿透距離），在前緣附近，水流速度隨調(diào)整長度（XD）的增大而減小，與無因次草甸密度（式（2））成反比。在草甸前緣（x＜XD），相對于裸床，凈沉積減少，這是由于上揚水流和增大的莖生湍流動能，這表明草甸邊緣具有明顯不同的顆粒滯留趨勢。凈沉積量隨著離前緣距離的增加而增加。在草甸完全發(fā)展區(qū)（x＞XD），凈沉積量與草甸密度、水深和流速有關(guān)。隨著莖干密度的降低和流速的增加，沉積量逐漸減少。凈沉積減少與莖生湍流驅(qū)動的再懸浮有關(guān)，該湍流動能隨草甸密度和淹沒深度（H/h）的降低而增加。

圖5 沉水植被前緣水流調(diào)整示意[3］Fig. 5 Flow adjustment in the margin of submerged vegetation

3.2.2 波浪作用

近岸波浪引起的上沖流、波浪爬高及越浪等是造成海岸侵蝕的重要影響因素，鹽沼邊緣陡坎在波浪作用下不斷蝕退，而通常情況下植被作用可使岸坡破壞延遲，且與根部的生長有一定關(guān)系，總體上提供了穩(wěn)定岸坡的作用[49］，根系發(fā)達(dá)的植物比根系不成熟的植物更能減少沙丘侵蝕量[50］，不同研究表明：地上和地下植被的共同存在可使沙丘侵蝕減少37%[51］；植被減少了波浪爬高對沙丘的侵蝕約40%[52］。岸灘平衡剖面的動態(tài)平衡對波浪條件較為敏感，植被帶改變了波浪向岸傳播過程中的淺化、破碎特征，研究表明，植被影響下，平衡剖面的槽－壩位置隨著波高增大向海推移，且波陡與岸灘沖刷和侵蝕無量綱參數(shù)相關(guān)性良好[53］。對于柔性沉水圓形斑塊冠層，Holzenthal等[54］研究表明波浪作用下其后方將形成濱岸沉積丘，并將沉積丘生長機制與近岸水動力狀態(tài)聯(lián)系起來。從能量的角度來講，由植被或其他結(jié)構(gòu)引起的局部耗散形成了一個低波能區(qū)，這可能對鄰近海岸線的響應(yīng)具有重要意義[55］。基于擾動沉積物顆粒起動的單位面積能量變化速率[56］，Türker 等[4］提出經(jīng)過植被帶后的波能與侵蝕海岸沙丘剖面所必需的能量呈線性相關(guān)關(guān)系。

隨著海岸災(zāi)害頻率的不斷升高，風(fēng)暴浪也成為研究重點，基于Sallenger[57］提出的障壁島的四種風(fēng)暴影響機制（沖流、擊岸、越浪、淹沒），Silva等[58］考慮灘肩形態(tài)及植被密度的影響，研究了含植被沙丘－岸灘系統(tǒng)對風(fēng)暴的響應(yīng)，結(jié)果表明植被可減少沙丘的凈侵蝕；Odériz 等[59］使用內(nèi)部碎石巖心結(jié)構(gòu)來提高沙丘強度，研究了風(fēng)暴條件下的系統(tǒng)剖面變化，發(fā)現(xiàn)植被在風(fēng)暴初始沖流和擊岸階段起到更好的保護(hù)作用，而內(nèi)部碎石則能更好抵抗風(fēng)暴后期的越浪及沙丘破壞。然而，在鹽沼向海邊緣區(qū)域，F(xiàn)eagin等[60］通過對室內(nèi)試驗及野外試驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)有植被與無植被情況下的海岸侵蝕沒有明顯區(qū)別，提出海岸植被更適合改善長時間尺度的沉積過程，比如海平面上升等，而不太適合抵抗鹽沼近海邊緣波浪破碎區(qū)域受到的頻繁擾動，且土壤性質(zhì)（包括堆積密度、植物殘骸碎片含量等）是影響沖刷的重要因素，近岸侵蝕防護(hù)應(yīng)著重關(guān)注植被對底質(zhì)長時間尺度的作用。Feagin等[52］通過水槽試驗進(jìn)一步提出被沖刷暴露于水體中的植被根部可使波浪衰減且可減緩陡坎坍塌破壞，而當(dāng)植被在波浪上沖流或波浪爬高影響下完全傾覆且連根拔起時，沖刷則會被加劇。因此，植被的根、莖、葉只要暴露于水體中且未發(fā)生完全傾覆，對波能都有衰減作用，但是在特定外界條件下，植被可能會加劇海岸向海邊緣區(qū)域的沖刷。

除此之外，海堤在世界沿海地區(qū)廣泛應(yīng)用，用于保護(hù)低洼地區(qū)，抵御沿海災(zāi)害。因此，堤頂和向陸坡的破壞機制[61］、波浪越頂和單波越浪量的分布[62］成為重要的設(shè)計考慮因素。草皮覆蓋廣泛應(yīng)用于海岸堤防系統(tǒng)的防護(hù)中，Ponsioen 等[63］將陸向坡面草皮的破壞與波浪越頂引起的法向應(yīng)力聯(lián)系起來，據(jù)此可以預(yù)測破壞發(fā)生的時間和位置。為了強化植被護(hù)坡，提高植被護(hù)坡的抗侵蝕能力，一種高性能加筋草皮護(hù)坡（HPTRM）技術(shù)被提出。研究發(fā)現(xiàn)，由于具有較高抗侵蝕能力的有植被覆蓋的HPTRM 的暴露，其侵蝕速率呈下降趨勢[64］。

對不同類型海岸的生態(tài)修復(fù)工程而言，如果不夠了解其生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的動力地貌響應(yīng)特征，粗放化的工程實施可能帶來一系列海岸侵蝕或淤積問題。針對典型沙壩-潟湖海岸，我們進(jìn)行了系列植被影響下的物理模型試驗研究，包括不同材料不同類型植被作用，引入了考慮植被布置帶寬的植被加權(quán)密度，并考慮沙壩出水高度、水深和入射波高的新參數(shù)，提出了布置于壩頂?shù)耐λ脖蛔饔孟虏ǜ咚p率與新參數(shù)的線性數(shù)學(xué)關(guān)系，同時分析得到了前丘最大侵蝕厚度與植被加權(quán)密度的二次多項式數(shù)學(xué)關(guān)系[65-67］。另外，布置于壩前坡的沉水植被而言[68-69］，侵蝕浪作用下，植被使沙壩和前丘最大侵蝕厚度均減小，且減少了沙壩凈侵蝕量、潟湖內(nèi)淤積量及離岸輸沙量，對海岸前丘有較好的保護(hù)作用。

4 總結(jié)與展望

本節(jié)將基于對現(xiàn)有研究的總結(jié)，提出未來相關(guān)研究的展望。

4.1 總結(jié)

植被對水動力的影響主要分為：水流、波浪和波流耦合條件下的流場結(jié)構(gòu)或消浪特征研究，以及植被產(chǎn)生的水流阻力的研究。流場結(jié)構(gòu)方面主要針對橫向、縱向、垂向流速結(jié)構(gòu)分布特征，以及紊動能變化特征；消浪特征則主要從波高的衰減、波壓力變化、波能轉(zhuǎn)換等方面切入研究，除了規(guī)則波與隨機波兩種波浪類型外，還有考慮典型孤立波等不同形式波浪的研究，同時，還有少數(shù)針對波流同向與波流反向條件的相關(guān)探究；水流阻力則主要是研究阻力系數(shù)與雷諾數(shù)、KC 數(shù)之間的關(guān)系，同時開始關(guān)注葉片與莖干的相互作用，提出遮蔽系數(shù)來描述這一點。植被對泥沙輸運的影響主要分為再懸浮特征、懸沙濃度變化規(guī)律，以及不同沉積與沖刷模式，包括沖淤形態(tài)變化規(guī)律、波浪爬高和越浪的沖刷機制等方面的研究。而針對植被特征而言，除了考慮沉水與挺水、剛性與柔性的不同特性以外，還包含了單株植物、簇狀植被、植被斑塊等不同布置特征的影響。除此以外，還有針對典型海岸形式——沙壩－潟湖海岸上植被影響的研究，以及海堤植被護(hù)坡的研究等。

4.2 展望

結(jié)合以上研究進(jìn)展的詳細(xì)論述，本文提出海岸植被生態(tài)防護(hù)機制物理模型試驗研究的未來展望。在研究植被對海岸動力地貌影響的過程中，植被本身也將受到水動力條件、鹽度、地下水、土壤種類、季節(jié)等的反作用，包括連根拔起、種群分布、季相變化等，因此，未來可增加以植被生長狀態(tài)為研究對象，探究水動力閾值問題，比如早期育苗脫落的臨界流速問題；岸灘沖淤演變應(yīng)與植被特征、動力條件聯(lián)系起來，更好地為相關(guān)工程提供科學(xué)指導(dǎo)；物理模型試驗中應(yīng)朝著更接近真實環(huán)境植被的方向發(fā)展，包括不同季節(jié)地上生物量與地下生物量的變化和水動力變化、底質(zhì)土壤類型等方面的考慮，這也對試驗技術(shù)的創(chuàng)新提出更高的要求；本文尚未發(fā)現(xiàn)在波流耦合試驗條件下的針對植被對泥沙輸運影響的試驗研究，所以波流耦合下植被對床面沖淤影響的試驗研究需要將來深入的探索；另外，幾乎所有物理模型試驗研究均為單一植被形式，而真實環(huán)境下常常是沉水植被-漂浮植被，以及海岸陸域的草本－灌叢－喬木等不同類型植被的組合作用情況。因此，植被組合作用成為未來物理模型試驗研究的一個重要方向；除此之外，針對典型海岸的植被防護(hù)機制研究十分欠缺，未來應(yīng)完善歸納針對典型海岸動力地貌對植被響應(yīng)特征的研究；同時，在研究方法上可結(jié)合數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)場觀測，彌補物理模型試驗的欠缺和不足之處。

總的來說，未來需要結(jié)合海洋科學(xué)、海岸工程、生態(tài)環(huán)境等不同領(lǐng)域來研究植被對海岸防御的關(guān)鍵貢獻(xiàn)，應(yīng)從交叉學(xué)科的視角出發(fā)，更加全面地展開基礎(chǔ)研究。

作者貢獻(xiàn)聲明：

匡翠萍：論文撰寫與修改；

叢 新：論文撰寫與修改；

范家棟：資料整理；

李宏義：資料整理。