有堤斷面灘地植物消浪作用特性

摘 要：為構(gòu)建一個綜合多功能的海岸防浪林防災減災體系，深化對灘地植物消浪機理的研究和準確量化植物的消浪作用是至關重要的。目前，植物消減波高的計算方法主要基于單一林帶的工況，例如考慮林帶末端波高的規(guī)范方法和考慮沿程波高變化的沿程方法。為驗證無堤背景下提出的計算方法在林帶后有堤工況的適用性，開展水平、緩坡灘地后斜坡式及復合式堤防斷面的試驗研究，并采用沿程方法、規(guī)范方法及簡化的規(guī)范方法進行分析。結(jié)果表明，堤防的反射作用會降低灘地植物的實際消浪作用，現(xiàn)有的理論計算方法傾向于高估灘地植物的消浪作用，實測林帶后波高是計算結(jié)果的1～2倍。在植物消浪效果較為顯著的工況下，3種計算方法得到的消浪后波高結(jié)果接近；規(guī)范方法、沿程方法分別在林帶較窄、植物淹沒時，計算結(jié)果相對更接近實測值。因此，在實際應用中，可根據(jù)實際情況選用不同的計算方法來評估植物消減波高的作用，并考慮引入適當?shù)陌踩禂?shù)。研究結(jié)果可為生態(tài)海堤灘地植物的規(guī)劃設計以及堤防斷面設計提供科學依據(jù)。

關鍵詞：植物消浪；波高；計算方法；堤防斷面；物理模型試驗

中圖分類號：TV139. 2 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）02-0091-09

Wave Dissipation Characteristics of Floodplain Vegetation on Levee Cross-section

ZHANG Zhilin 1，2 ， HUANG Bensheng 1，2 ， LIU Da 1，2 ， HONG Changhong 1，2

（1. Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower， Guangzhou 510635， China; 2. State and Local JointEngineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology， Guangzhou 510635， China）

Abstract： To establish a comprehensive and multifunctional coastal shelterbelt system for disaster prevention， it is crucial to deepenthe understanding of the wave dissipation mechanisms by floodplain vegetation and accurately quantify the contributions of thevegetation. Existing methods for calculating wave height reduction by vegetation are typically based on the single vegetation condition，such as the normative method considering wave height at the end of the vegetation area and the along-track method considering waveheight reduction along the belt. To verify the applicability of the wave height calculation method proposed under a condition withoutthe levee in the specific condition where a levee exists， this paper conducts experiments on horizontal and gentle slope floodplains withsloped and composite levee cross-sections， and analyzes the problem through along-track method， normative method and simplifiednormative method. The results show that the reflection from the levee impairs the wave dissipation by floodplain vegetation， proving anoverestimation of the wave dissipation effect by existing theoretical calculation methods. The measured wave height behind thevegetation area is 1 to 2 times the calculated value. In conditions where vegetation effectively dissipates waves， the wave heightreduction results obtained from the above three methods are similar; the normative method and the along-track method results arecloser to the measured values when the vegetation area is relatively narrow or the vegetation is submerged. In practical applications，different methods can be selected to calculate the wave height reduction effect by vegetation， with a safety factor considered. The results can provide scientific support for the planning and design of floodplain vegetation for ecological levees and the design of leveecross-sections.

Keywords： wave dissipation by vegetation; wave height; calculation method; levee cross-sections; physical model experiment當前，紅樹林、水杉、水松等海岸防浪植物的保護與修復工作日益受到重視。然而，針對海岸灘地植物的規(guī)劃設計尚未充分考慮其在水安全方面的潛在作用，以及不當規(guī)劃可能引發(fā)的負面影響［1］ 。

因此，有必要持續(xù)強化生態(tài)海岸防護工程建設的關鍵技術研發(fā)［2］ 。現(xiàn)有研究表明，紅樹林的減災協(xié)同增效應是其保護修復工程實施的重要依據(jù)［3］ 。為增強海岸帶的自然防護能力，實現(xiàn)海岸帶資源的保護與可持續(xù)利用，并構(gòu)建一個綜合多功能的海岸防浪林防災減災體系，必須不斷深化對灘地植物消浪機理及其計算方法的研究。

針對有堤斷面模型，通常采用波浪在堤身上的爬高消減率來量化植物的消浪作用［4-6］ ，此時結(jié)果可為堤防高程設計提供參考，但結(jié)果受堤防形態(tài)的影響。針對僅有灘地植物的無堤斷面，一般以波高變化來量化植物的消浪效能［7-9］ 。章家昌 ［10］ 關注林帶末端相對波高，提出了基于來波波長、林帶寬度、枝葉和主干遮蔽系數(shù)的林木、枝葉、主干消浪系數(shù)的計算公式，并進行了簡化，重點描述了非完全淹沒植物的情況。若關注林帶沿程波高的變化，Dean［11］和Kobayashi等［12］ 分別提出了基于互反函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的消波模型。這兩種模型分別通過阻尼因數(shù)和指數(shù)阻尼因數(shù)來表征林帶對波浪的消減效果，（指數(shù)）阻尼因數(shù)值越大，表明消減效果越強。張之琳等［13］ 基于對消波模型的解析求解和大量實驗數(shù)據(jù)［14-15］ ，提出了消浪系數(shù)與波浪傳播方向上植物面積占橫截面比例的關系式。

上述植物消減波高的計算方法能夠有效確定林帶消波后的波高。然而，這些方法基于僅有林帶的工況，尚未考慮林帶后堤防的影響。鑒于氣候變化與海平面上升帶來的復雜挑戰(zhàn)［16-17］ ，本研究通過大量有堤斷面物理模型試驗，探究了灘地植物消浪計算方法在林帶后有堤防干擾情況下的適用性，旨在為準確量化植物消減波浪作用提供科學依據(jù)。

1 植物消浪計算方法

1. 1 基于林帶末端波高的計算方法

GB/T 51015—2014《海堤工程設計規(guī)范》僅關注林帶末端波高，基于文獻［10］提出植物消浪后的波高（H out ）可按式（1）-（4）計算：

2 物模試驗概況

2. 1 試驗設計及模型布局

物理模型試驗在廣東省水利水電科學研究院河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室的波浪水槽中進行。水槽長度為80 m，高度為2. 6 m，寬度為1. 8 m，其工作水深范圍為 0. 2～2. 0 m，平均波高范圍為0. 05～0. 80 m，波浪周期范圍為0. 5～5. 0 s。本次水力模型按重力相似原則進行設計，所使用的長度比尺為10。

物理模型斷面包括灘地和堤防，在灘地后間隔0. 5 m布置堤防斷面。灘地部分模擬了水平和緩坡（坡度為1∶20）2種不同的地形，2種地形的斷面及模型樹布置分別與文獻［15］和［13］相一致。斜坡式海堤在實際運用中較為常見，生態(tài)護坡也日益受到重視。在地基較弱且波浪作用較強的情況下，外坡通常在平均高水位處加設平臺，以消減波浪能量、降低地基荷載，便于施工與管理；平臺的上下部分可以采用不同的坡度設計。此外，直立式海堤因其經(jīng)濟性、較小的占地面積和相對較低的工程造價而受到青睞。因此，本研究中堤防斷面的設計采用了斜坡式（水平、緩坡灘地工況）以及2種復合式（水平灘地工況）。斜坡式堤防斷面與文獻［18］一致，長為3 m，坡度為1∶3，采用了植物和碎石2種不同的坡面材料（分別記為斜坡1和斜坡2）。2種復合式斷面模型均采用木模建造，分別記為復式1和復式2，具體的堤防斷面尺寸見圖1。

試驗共設置8根電容式波高儀，其中1根距造波機 30 m，用于測量所造波的波高（初始波高）。G1—G7依次分布于植被區(qū)前端至植被區(qū)后端，用于測量植被區(qū)中波高的沿程變化。水平灘地、復式1堤防時的總體模型斷面布置見圖2。

2. 2 試驗組次

本試驗設計模型樹高0. 5 m，植物密度采用25、50株/m 2 ，林帶寬度采用0. 5、2、3、4、5、6 m。試驗水深采用0. 8、0. 9、1. 0、1. 2 m，對應灘地（前緣）水深h分別為 0. 3、0. 4、0. 5、0. 7 m。試驗采用規(guī)則波，波浪要素見表1。林帶寬度L、植物密度N、灘地形態(tài)、堤防斷面形式等不同影響因素組合下的139種工況見表2。對應測量無植物時的空白試驗，以去除水槽底部和側(cè)壁摩擦的影響。H ori 為初始波高；G1處的波高為林帶入射波高H 0 。

3 結(jié)果與討論

3. 1 模型斷面對堤前波高的影響

在同一水深波浪工況下，對比分析不同模型斷面對林帶后波高（堤前波高）的影響。針對斜坡式堤防斷面，灘地形態(tài)、坡面材料的影響結(jié)果分別見圖3a、3b；針對復合式堤防斷面，區(qū)分林帶寬度、波浪要素的影響，見圖4a、4b。

結(jié)果顯示，當林帶寬度和堤防斷面（包括坡面材料）相同時，水平灘地和緩坡灘地工況下林帶后波高接近（圖3a）；當林帶寬度相同時，斜坡堤的生態(tài)坡面和碎石坡面工況下的結(jié)果接近（圖3b）。這說明灘地形態(tài)和斜坡堤的坡面材料對波高的影響可以忽略不計。然而，對于不同堤防斷面，試驗中林帶后波高差異顯著（圖4）。復式1、2斷面因平臺高程不同，對不同水深和不同波高的波浪反射作用也有所差異。當水深為0. 9、1. 0 m，對應灘地水深為0. 4、0. 5 m時，靜水位接近平臺，若林帶后波高較大時（因為初始波高大或者植物消浪效果有限）2種復合式堤防斷面形式對堤前林帶的消浪作用具有一定影響。而當水深為0. 8、1. 2 m，對應灘地水深為0. 3、0. 7 m時，由于水位與平臺存在一定距離，堤防斷面形式的影響相應較小。

3. 2 林帶后波高計算方法驗證

為驗證在單一林帶背景下提出的消浪系數(shù)及林帶后波高計算方法在有堤情況下的適用性，對比分析水平、緩坡灘地后斜坡式及復合式堤防斷面的試驗實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果。沿程方法（以阻尼因數(shù)法為例，見式（14））和規(guī)范方法（參照《海堤工程設計規(guī)范》，見式（2））計算結(jié)果與試驗林帶后波高實測值的對比結(jié)果見圖 5，2 種方法計算值的對比見圖6。

結(jié)果顯示，在各種工況下，2種方法的計算值均與實測值接近，實測值是計算值的1～2倍，這表明2種計算方法均可能高估了灘地植物的消浪效能。特別地，對于灘地植物消浪效果超過20%的工況，消浪系數(shù)的實測值比計算值低0至50%（平均約為27%，圖略）。結(jié)果進一步表明，不同灘地形態(tài)、斜坡堤坡面材料的模型斷面對堤前植物消浪作用的影響不顯著。針對所有斜坡堤工況，擬合得到計算值y與實測值x的回歸關系：y=0. 80x（R 2 =0. 980 5，沿程方法）、y=0. 84x（R 2 =0. 985 2，規(guī)范方法）。復合式堤防斷面對林帶消浪作用的影響則更為復雜，且與堤防斷面形態(tài)密切相關。此外，在不同模型斷面工況下，沿程方法與規(guī)范方法的計算值接近，進一步證實2種方法在植物消浪計算中的可靠性。

總體而言，考慮到試驗誤差，由于堤身對波浪的反射作用，林帶后的實測波高值比計算值更高，即有堤時灘地植物的實際消浪作用小于經(jīng)驗公式所得結(jié)果，但斜坡堤的影響相對復式堤更穩(wěn)定（林帶后波高計算值約為實測值的80%）。在實際應用中，建議引入適當?shù)陌踩禂?shù)。

3. 3 林帶寬度對植物消浪效果影響

鑒于試驗工況的多樣性，本研究進一步探討堤防斷面對林帶植物消浪作用的影響，并針對0. 5、2、3、4、5、6 m不同寬度的林帶工況開展分析。分別根據(jù)沿程方法、規(guī)范方法、簡化方法（見式（5））計算林帶后波高并與實測值進行對比，結(jié)果見圖7；不同計算方法之間的結(jié)果對比見圖8。

結(jié)果顯示，當林帶寬度為0. 5～3. 0 m時，沿程方法相較于規(guī)范方法和簡化方法更傾向于高估植物消浪系數(shù)，導致計算值低于實測值。而當林帶寬度為4～6 m時，3種方法的計算值與試驗實測值較為接近。總體來看，簡化方法所得到的計算值與實測值最接近，這是因為該方法在規(guī)范方法的基礎上忽略了林木主干的作用，從而減少了對林帶消浪作用的高估。此外，規(guī)范方法和簡化方法均是僅基于林帶末端波高的計算方法，兩者的計算結(jié)果接近，但隨著林帶寬度的增加，兩者的差異愈發(fā)明顯，這表明增加林木主干的寬度能在一定程度上消減波浪。

總體而言，當林帶較寬、植物的消浪作用較強時，3種方法得到的結(jié)果非常接近，但都高估了植物的實際消浪作用。當林帶寬度較小時，規(guī)范方法和簡化方法的預測結(jié)果相對于沿程方法更偏安全。

3. 4 水深波浪要素影響

圖6、8的數(shù)據(jù)顯示可分為2個不同的組別，為探索其原因，進一步分析植物淹沒狀態(tài)的影響。在不同水深波浪條件下，沿程方法和規(guī)范方法計算的林帶后波高值與實測值對比結(jié)果見圖9；2種方法計算結(jié)果之間的對比見圖10。

結(jié)果顯示，在水深0. 3、0. 4、0. 5 m植物非淹沒時，初始波高的影響并不顯著，沿程方法與規(guī)范方法得到的計算值彼此接近。然而，當水深達到1. 2m植物淹沒時，沿程方法得到的計算值與實測值更為接近；此時規(guī)范方法更高估了植物的消浪效能，得到的林帶后波高較實測值偏低，未能有效反映植物淹沒狀態(tài)對消浪作用的影響。

4 結(jié)論

首先通過大量物理模型試驗探究了模型斷面對堤前波高的影響，然后驗證了無堤工況下得出的灘地植物消浪后波高計算方法在有堤工況下的適用性，并比較了不同計算方法，最后分析了灘地形態(tài)、斜坡堤坡面材料、堤防斷面、林帶寬度以及水深波浪要素對模型斷面降低植物消浪效果的影響。

主要結(jié)論如下。

a） ）當波浪要素和林帶寬度相同時，林帶的灘地形態(tài)和斜坡堤坡面材料對堤前波高的影響不顯著，但不同的堤防斷面對堤前波高呈現(xiàn)出不同程度的反射影響。

b） ）堤防的反射作用會削弱灘地植物的消浪效能，無堤背景下提出的經(jīng)驗計算方法往往高估了灘地植物的消浪作用，林帶后波高實測值約為計算結(jié)果的1～2倍。對于不同灘地形態(tài)和坡面材料的典型斜坡堤，林帶后波高計算值大約是實測值的 80%。在實際應用植物消浪計算方法時，可考慮引入適當?shù)陌踩禂?shù)。

c） ）沿程方法、規(guī)范方法和簡化方法得到的林帶消浪后波高計算值相近。對于林帶較寬、植物非淹沒、植物消浪效果較好的工況，沿程方法和規(guī)范方法得到的結(jié)果相近；對于林帶較窄的工況，規(guī)范方法更可能得到接近實測值的結(jié)果；對于植物淹沒的工況，沿程方法計算的林帶后波高相對更接近實測值。

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