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基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验

曾思益 陈杰 蒋昌波 何飞 隆院男 屈科 邓斌 伍志元

曾思益, 陈杰, 蒋昌波, 何飞, 隆院男, 屈科, 邓斌, 伍志元. 基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
引用本文: 曾思益, 陈杰, 蒋昌波, 何飞, 隆院男, 屈科, 邓斌, 伍志元. 基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
Zeng Siyi, Chen Jie, Jiang Changbo, He Fei, Long Yuannan, Qu Ke, Deng Bin, Wu Zhiyuan. Experimental Investigation on Wave Decay through Vegetation Patch with the Quantitative Generalized Model of Root, Stem and Canopy[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
Citation: Zeng Siyi, Chen Jie, Jiang Changbo, He Fei, Long Yuannan, Qu Ke, Deng Bin, Wu Zhiyuan. Experimental Investigation on Wave Decay through Vegetation Patch with the Quantitative Generalized Model of Root, Stem and Canopy[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110

基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(51239001),国家自然科学基金项目(51409022),湖南省自然科学基金项目(2018JJ3546)
详细信息
    作者简介:

    曾思益。主要研究方向:海岸动力过程及其模拟技术。Email:18774965619@163.com 地址:410114 湖南省长沙市长沙理工大学云塘校区

    通讯作者:

    陈杰,博士,教授,主要研究方向:海岸动力过程及其模拟技术。Email:chenjie166@163.com 地址:同上

Experimental Investigation on Wave Decay through Vegetation Patch with the Quantitative Generalized Model of Root, Stem and Canopy

  • 摘要:   目的  红树林作为一种新型生态式的护岸工具,其消波效应已成为海岸工程研究热点。为对红树林根、茎、叶不同组成部分进行定量研究,以进一步探究红树林对波浪的消减效应。  方法  本文采取定量概化的根茎叶植物模型,通过波浪水槽实验探究了综合考虑根茎叶的红树林植被区沿程波高衰减机制。将Kobayashi等提出的理论模型计算所得的植被区沿程波高理论值与实验值进行对比。  结果  研究发现,由Kobayashi等提出的理论模型计算所得的实验波高衰减系数的范围分别为0.02 ~ 0.47。当入射波波长与植被区沿流向长度趋于1时,消波强度最弱。同时波浪在植被区衰减过程中出现了边界效应及波浪雍高现象,相对雍高值的范围为0 ~ 13%。当波长与植被区沿流向长度之比在1.0 ~ 1.2之间,且淹没度等于1.0时,雍高值随叶的分布密度的减小而增大,随根的分布密度的减小而减小。而当淹没度等于0.8时,减小根或叶的分布密度,雍高值均减小。  结论  根和叶的分布密度、淹没度以及波长与植被区沿流向长度之比均会对植被区沿程波高衰减规律产生不同程度的影响。
  • 图  1  实验布置

    Figure  1.  Sketch of experiment

    图  2  植物模型

    Figure  2.  Vegetation model

    图  3  L/S小于1.0时不同根和叶分布密度情况下的植被区沿程波高变化规律

    红色空心图形:ψ1 = 30,ψ2 = 30;黑色空心图形:ψ1 = 30,ψ2 = 16;红色实心图形:ψ1 = 30,ψ2 = 30;黑色实心图形:ψ1 = 16,ψ2 = 30;实线:式(1)(Kobayashi等[20])计算得到的ψ1 = 30或ψ2 = 30条件下波高变化理论值;虚线:通过Kobayashi提出的y沿程波高衰减指数函数规律公式计算得到的ψ1 = 16或ψ2 = 16条件下波高变化理论值。h为25.0、30.0 cm时,正方形:H = 3.0 cm、圆形:H = 5.0 cm,上三角形:H. = 7.0 cm,下三角形:H = 9.0 cm,当h为35.0、45.0 cm时,正方形:H = 5.0 cm,圆形:H = 7.0 cm,上三角形:H = 9.0 cm,下三角形:H = 12.0 cm。In the(a)(c)(e)(g), red figure: ψ1 = 30, ψ2 = 30; black figure: ψ1 = 30, ψ2 = 16; In the(b)(d)(f)(h), red solid figure: ψ1 = 30, ψ2 = 30; black solid figure: ψ1 = 16, ψ2 = 30; solid: theoretical value of ψ1 = 30, ψ2 = 30; dash: theoretical value of ψ1 = 30, ψ2 = 16 or ψ1 = 16, ψ2 = 30; h = 25.0, 30.0, square: H = 3.0 cm, circle: H = 5.0 cm, regular triangle: H = 7.0 cm, inverted triangle: H = 9.0 cm; h = 35.0, 45.0, square: H = 5.0 cm, circle: H = 7.0 cm, regular triangle: H = 9.0 cm, inverted triangle: H = 12.0 cm.

    Figure  3.  The variation of wave height along the vegetation patch with different arrangement densities of roots and canopies and L/S are all under 1.0.

    图  4  L/S大于1.0小于等于1.2时不同根和叶分布密度情况下的植被区沿程波高变化规律

    Figure  4.  The variation of wave height along the vegetation patch with different arrangement densities of roots and canopies, and.L/S are in the range 1.0−1.2.

    图  5  L/S大于1.2时不同根和叶分布密度情况下的植被区沿程波高变化规律

    Figure  5.  The variation of wave height along the vegetation patch with different arrangement densities of roots and canopies, and.L/S are all above 1.2.

    表  1  实验工况

    Table  1.   Experimental cases

    序号
    Model
    根密度ψ1 (根/株)
    Root densityψ1 (sticks/plant)
    叶密度/(根·株− 1)
    Canopy density (ψ2)/(sticks·plant− 1)
    实验水深
    Water level (h)/cm
    入射波高
    Wave height (H)/cm
    入射波周期
    Wave period (T)/s
    模型1 Model 130.030.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.01.0, 1.5, 2.0
    30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    模型2 Model 230.016.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    模型3 Model 316.030.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    模型4 Model 416.016.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
    35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
    45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
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  • [1] 陈玉军, 廖宝文, 黄勃, 等. 红树林消波效应研究进展[J]. 热带生物学报, 2011, 2(4):378−382. doi:  10.3969/j.issn.1674-7054.2011.04.017

    Chen Y J, Liao B W, Huang B, et al. Progresses in the study of wave attenuation effect of mangroves[J]. Journal of Tropical Organisms, 2011, 2(4): 378−382. doi:  10.3969/j.issn.1674-7054.2011.04.017
    [2] Dekker F. Hydrodynamics and morphodynamics in and around Mangrove Forests[D]. Enschede: University of Twente, 2006.
    [3] Burger B. Wave attenuation in mangrove forests[D]. Delft: Delft University of Technology, 2005.
    [4] 陈杰, 管喆, 蒋昌波. 海啸波作用下泥沙运动——Ⅴ. 红树林影响下的岸滩变化[J]. 水科学进展, 2016, 27(2):206−213.

    Chen J, Guan Z, Jiang C B. Study of sediment transport by tsunami waves: V, influence of mangrove[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 206−213.
    [5] Massell S R, Furukawa K, M Brinkman R. Surface wave propagation in mangrove forests[J]. Fluid Dynamics Research, 1999, 24(4): 219−249. doi:  10.1016/S0169-5983(98)00024-0
    [6] Hung Z, Yao Y, Sim S Y, et al. Interaction of solitary waves with emergent, rigid vegetation[J]. Ocean Engineering, 2011, 38(10): 1080−1088. doi:  10.1016/j.oceaneng.2011.03.003
    [7] 陈杰, 何飞, 蒋昌波, 等. 植物消波机制的实验与理论解析研究进展[J]. 水科学进展, 2018, 29(3):439−451.

    Chen J, He F, Jiang C B, et al. Advances in laboratory experiment, theoretical analysis of mechanism of wave attenuation by vegetation[J]. Advancesin Water Science, 2018, 29(3): 439−451.
    [8] Hashim A M, Catherine S M P. A laboratory study on wave reduction by mangrove forests[J]. Apcbee Procedia, 2013, 5: 27−32. doi:  10.1016/j.apcbee.2013.05.006
    [9] Cuc N T K, Suzuki T, De Ruyter Van Steveninck E D, et al. Modelling the impacts of mangrove vegetation structure on wave dissipation in Ben Tre Province, Vietnam, under different climate change scenarios[J]. Journal of Coastal Research, 2013, 31(2): 340−347.
    [10] Kathiresan K, Rajendran N. Coastal mangrove forests mitigated tsunami[J]. Estuarine Coastal & Shelf Science, 2005, 65(3): 601−606.
    [11] 陈杰, 何飞, 蒋昌波, 等. 规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究[J]. 水利学报, 2017, 48(7):846−857.

    Chen J, He F, Jiang C B, et al. Experimental investigation on drag coefficient of rigid vegetation influenced by regular waves[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(7): 846−857.
    [12] 陈杰, 赵静, 蒋昌波, 等. 非淹没刚性植物对规则波传播变形影响实验研究[J]. 海洋通报, 2017, 36(2):222−229. doi:  10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.014

    Chen J, Zhao J, Jiang C B, et al. Laboratory on the effect of emergent rigid vegetation on the regular transformation[J]. Marin Science Bulletin, 2017, 36(2): 222−229. doi:  10.11840/j.issn.1001-6392.2017.02.014
    [13] 何飞, 陈杰, 蒋昌波, 等. 考虑根茎叶的近岸植物对海啸波消减实验研究[J]. 热带海洋学报, 2017, 36(5):9−15.

    He F, Chen J, Jiang C B, et al. Experimental investigation on tsunami wave attenuation under the effects of coastal vegetation with root, stem and crown[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017, 36(5): 9−15.
    [14] 何飞, 陈杰, 蒋昌波, 等. 考虑根茎叶影响的刚性植物消浪特性实验研究[J]. 水动力学研究与进展A辑, 2017(6):770−778.

    He F, Chen J, Jiang C B, et al. Experimental investigation on wave attenuation under the effects of rigid vegetation with root, stem and crown[J]. Journal of Hydrodynamics, 2017(6): 770−778.
    [15] 何飞, 陈杰, 蒋昌波, 等. 植被区影响下孤立波沿程波高衰减特性试验[J]. 水利水电科技进展, 2018(1):75−82. doi:  10.3880/j.issn.1006-7647.2018.01.011

    He F, Chen J, Jiang C B, et al. Experimental study on the characteristics of solitary wave height attenuation under the effects of vegetation belt[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2018(1): 75−82. doi:  10.3880/j.issn.1006-7647.2018.01.011
    [16] 何飞, 陈杰, 蒋昌波, 等. 规则波作用下植物带波高衰减特性实验研究[J]. 海洋科学进展, 2017, 35(1):146−158.

    He F, Chen J, Jiang C B, et al. Experimental investigation on the characteristics of regular wave height attenuation in vegetation field[J]. Advances in Marine Science, 2017, 35(1): 146−158.
    [17] 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. doi:  10.3969/j.issn.1005-9865.2005.03.011

    Bai Y C, Yang J M, Hu M, et al. Model test of vegetation on the bank to attenuate waves and protect embankments[J]. The Ocean Engineering, 2005, 23(3): 65−69. doi:  10.3969/j.issn.1005-9865.2005.03.011
    [18] 吉红香, 黄本胜, 邱秀云. 植物消波消浪研究综述[J]. 水利水运工程学报, 2005, 1(1):75−78. doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2005.01.015

    Ji H X, Huang B S, Qiu X Y. Review on research of wave absorption by vegetation[J]. Hydro-Science and Engineering, 2005, 1(1): 75−78. doi:  10.3969/j.issn.1009-640X.2005.01.015
    [19] Lima S F, Neves C F, Rosauro N M L. Damping of gravity waves by fields of flexible vegetation[M]// Coastal Engineering 2006: (In 5 Volumes). 2014: 491−503.
    [20] Kobayashi N, Raichle A W, Asano T. Wave attenuation by vegetation[J]. Journal of Waterway Port Coastal & Ocean Engineering, 1993, 119(1): 30−48.
    [21] Sánchez-González J F, Sánchez-Rojas V, Memos C D. Wave attenuation due to Posidonia oceanica meadows[J]. Journal of Hydraulic Research, 2011, 49(4): 503−514. doi:  10.1080/00221686.2011.552464
  • [1] 王元敏, 王燕, 王思远, 高国强, 谷加存.  中国东北温带3种木质藤本植物细根解剖和形态性状研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190419
    [2] 刘峰, 席本野, 戴腾飞, 于景麟, 李广德, 陈雨姗, 王杰, 贾黎明.  水肥耦合对毛白杨林分土壤氮、细根分布及生物量的影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190222
    [3] 纪文文, 王立海, 时小龙, 许明贤, 郝泉龄, 张广晖, 孟庆凯, 侯胜铭.  基于树木雷达的小兴安岭典型树种粗根分布及其影响因素研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190285
    [4] 魏喜雯, 孙丽萍, 许述正, 杨扬, 杜春晓.  基于应力波传播速度模型的原木缺陷定量检测 . 北京林业大学学报, doi: 10.12171/j.1000-1522.20190420
    [5] 姚丹丹, 徐奇刚, 闫晓旺, 李玉堂.  基于贝叶斯方法的蒙古栎林单木枯死模型 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180260
    [6] 吕汝丹, 何健, 刘慧杰, 姚敏, 程瑾, 谢磊.  羽叶铁线莲的分布区与生态位模型分析 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180189
    [7] 马普, 陶梦, 吕世海, 苏德荣, 叶生星, 刁兆岩.  库布齐沙地柠条叶生物量及营养估测模型 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20180044
    [8] 李耀翔, 李颖, 姜立春.  基于小波压缩的木材密度近红外光谱的预处理研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20150299
    [9] 王丽君, 淮永建, 彭月橙.  基于叶片图像多特征融合的观叶植物种类识别 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2015.01.006
    [10] 郑聪慧, 贾黎明, 孙操稳, 魏松坡, 段劼.  华北地区栓皮栎根径相关模型及材积表研建 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20150108
    [11] 夏延国, 董芳宇, 吕爽, 王键铭, 井家林, 李景文.  极端干旱区胡杨细根的垂直分布和季节动态 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20150082
    [12] 姚丹丹, 雷相东, 张则路.  基于贝叶斯法的长白落叶松林分优势高生长模型研究 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.1000-1522.20140221
    [13] 刘昊, 高建民.  含水率和密度对木材应力波传播速度的影响 . 北京林业大学学报, doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2014.06.002
    [14] 滕文凤, 谈家金, 叶建仁, 方爱琴.  南京园林植物根际滑刃线虫和剑线虫种类记述 . 北京林业大学学报,
    [15] 路祺, 刘文俊, 祖元刚, 杨磊, 祖柏实, 李汶罡, 张宝友, 朱明华.  刺五加根茎高沸醇木质素的分离及抗氧化活性 . 北京林业大学学报,
    [16] 骆宗诗, 向成华, 章路, 谢大军, 罗晓华.  花椒林细根空间分布特征及椒草种间地下竞争 . 北京林业大学学报,
    [17] 王立海, 刘剑锋, 耿玉清, 周传艳, 李国雷, 朱小龙, 王旭, 张冬梅, 汪杭军1, 赵铁珍, 方升佐, 任强, 刘鹏举, 李雪华, 吴丽娟, 薛康, HUALi_zhong, 党文杰, 韦艳葵, 李生宇, 李义良, 王兰珍, 段文霞, 周宇飞, 宋永明, 余新晓, 杨娅, 黎明, 尹光彩, 阎秀峰, 朱波, 周国逸, 崔同林, 杨慧敏, 刘勇, 刘勇, 方陆明, JIANGXi_dian, 高岚, 韩士杰, 苏晓华, 李建章, 何茜, 雷加强, 李振基, 周亮, 虞木奎, HEXiu_bin, 赖志华, 鹿振友, 程云清, 玲, 张冰玉, 李吉跃, 王新杰, 喻理飞, 沈熙环, 周国逸, 徐扬, 孙向阳, 唐小明, 宗文君, 王春林, 王清文, 刘锐, 徐新文, 柯水发, 王伟宏, 周晓梅, 李晓兰, 张志毅, 陈实, 茹广欣, 郭蓓, 温亚利, , 国庆, 李丙文, 宋爱琴, 孙阁, 李俊清, 陈峻崎, 3, 陈培金, 齐涛, 姚永刚, 王晓静, 王旭, 周玉平, 刘志明, 唐旭利, 蒋德明, 张可栋, 王建林, 长山, 陈放, 赵双荣, 宋湛谦, 王春林, 关少华, 闫俊华, 杨伟伟, 郑凌峰.  3-PG模型在华南尾叶桉人工林的应用研究 . 北京林业大学学报,
    [18] 徐文铎, 李吉跃, 段爱国, 张求慧, 吴斌, 温俊宝, 刘金福, 常德龙, 王云琦, 匡文慧, 谭炳香, 郑凌凌, 赵燕东, 程占红, 齐春辉, 
    ZHAOGuang-jie, 冯夏莲, 张灿, 邹大林, 李贤军, 李雪萍, 刘常富, 王玉涛, 鲁绍伟, 李雪峰, 张建国, 翟洪波, LUOWen-sheng, 张路平, 何正权, 宋湛谦, 温俊宝, 韩士杰, 白陈祥, 张树文, 何兴元, 李增元, 朱天辉, 王玉杰, 吴庆利, 何承忠, 韩烈保, 何友均, 李吉跃, 余新晓, 吴斌, 洪伟, 赵广杰, 黄文豪, 林秦文, 姜伟, 骆有庆, 陈发菊, 匡秋明, 童书振, 刘凤芹, 何静, 陈尔学, 梁小红, 郭忠玲, FurunoTakeshi, 张志毅, 张养贞, 骆有庆, ]魏晓霞, ]陈玮, 李俊清, 郑兴波, 庞勇, RENQian, 许志春, 胡伟华, 张璧光, 张军, 赵桂玲, 张振明, 曾会明, 许志春, 李颖, 梁宏伟, 安新民, 崔国发, 杨凯, 宋国正, 曹川健, 郑杰, 李凤兰, 侯伟, 刘君, PaulWolfgang, 李福海, 赵广亮, 雷渊才, 李考学, 姚永刚, 田桂芳, 董建生, 张有慧, 张全来, 李永波, 赫万成, 李长明, 张世玺.  Hyperion高光谱数据森林郁闭度定量估测研究 . 北京林业大学学报,
    [19] 旷远文, 杨丽韫, 李贤军, 刘海军, 程万里, 王发国, 罗辑, 徐秋芳, 王鸿斌, 李艳华, 郝朝运, 陈永亮, 宋瑞清, 张占宽, 张志, 吴娟, 王安志, 毕华兴, 赵廷宁, 卜崇峰, 明军, 马忠明, 张真, 马洁, 姜培坤, 程根伟, 郭卫东, 李文华, 刘国彬, 骆有庆, 陈天全, 刘建梅, 朱金兆, 习宝田, 张启翔, 温达志, 张璧光, 叶华谷, 谭秀英, 刘一星, 曹子龙, 冀瑞卿, 李伟, 李文军, 刘鹏, 陈玉福, 温俊宝, 邢福武, 郑翠玲, 沈泉, 裴铁, 朱清科, 康向阳, 孔祥波, 敏朗, 程放, 李笑吟, 周国逸, 兰彦平, 金昌杰, 孙保平, 则元京, 马其侠, 何祖慰, 张宇清, 沈佐锐, 刘世忠, 李延军, 张志明, 金幼菊, 丁国栋, 陈红锋, 张德强, 冯继华, 姚爱静, 曹刚, 陶万强, 魏铁.  长白山原始阔叶红松林细根分布及其周转的研究 . 北京林业大学学报,
    [20] 黄华国, 马宇飞, 李雪玲, 赵晓松, 邵海荣, 高岩, 王瑞刚, 张德荣, 王小丹, 华丽, 黄荣凤, 贺庆棠, 田晶会, 郭明辉, 曹世雄, 戴松香, 董运斋, 李黎, 阎海平, 关德新, 贺康宁, 张晓丽, 王四清, 陈少良, 李文彬, 古川郁夫, 李俊清, 习宝田, 于志明, 陈斌如, 冷平生, 金幼菊, 贺庆棠, 陈少良, 闫丽, 李海英, 高攀, 任云卯, 高双林, 吴家兵, 王蕾, 邹祥旺, 陈莉, 王百田, 刘力源, 李建章, 阎海平, 杨永福, 鲍甫成, 郝志勇, 王金满, 程根伟, 张卫强, 陈源泉, 金小娟, 陈华君, 金昌杰, 赵有科, 侯智, 侯智, 李涛, 韩士杰, 杜建军, 翁海娇, 高旺盛, 尹婧, 赵琼, 李鹤, 杨爽, 段杉.  植物根细胞离子通道研究进展 . 北京林业大学学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-04-22
  • 修回日期:  2019-01-17

基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验

doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
    基金项目:  国家自然科学基金重点项目(51239001),国家自然科学基金项目(51409022),湖南省自然科学基金项目(2018JJ3546)
    作者简介:

    曾思益。主要研究方向:海岸动力过程及其模拟技术。Email:18774965619@163.com 地址:410114 湖南省长沙市长沙理工大学云塘校区

    通讯作者: 陈杰,博士,教授,主要研究方向:海岸动力过程及其模拟技术。Email:chenjie166@163.com 地址:同上

摘要:   目的  红树林作为一种新型生态式的护岸工具,其消波效应已成为海岸工程研究热点。为对红树林根、茎、叶不同组成部分进行定量研究,以进一步探究红树林对波浪的消减效应。  方法  本文采取定量概化的根茎叶植物模型,通过波浪水槽实验探究了综合考虑根茎叶的红树林植被区沿程波高衰减机制。将Kobayashi等提出的理论模型计算所得的植被区沿程波高理论值与实验值进行对比。  结果  研究发现,由Kobayashi等提出的理论模型计算所得的实验波高衰减系数的范围分别为0.02 ~ 0.47。当入射波波长与植被区沿流向长度趋于1时,消波强度最弱。同时波浪在植被区衰减过程中出现了边界效应及波浪雍高现象,相对雍高值的范围为0 ~ 13%。当波长与植被区沿流向长度之比在1.0 ~ 1.2之间,且淹没度等于1.0时,雍高值随叶的分布密度的减小而增大,随根的分布密度的减小而减小。而当淹没度等于0.8时,减小根或叶的分布密度,雍高值均减小。  结论  根和叶的分布密度、淹没度以及波长与植被区沿流向长度之比均会对植被区沿程波高衰减规律产生不同程度的影响。

English Abstract

曾思益, 陈杰, 蒋昌波, 何飞, 隆院男, 屈科, 邓斌, 伍志元. 基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
引用本文: 曾思益, 陈杰, 蒋昌波, 何飞, 隆院男, 屈科, 邓斌, 伍志元. 基于根茎叶定量概化模型的植被区沿程波高衰减机制实验[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
Zeng Siyi, Chen Jie, Jiang Changbo, He Fei, Long Yuannan, Qu Ke, Deng Bin, Wu Zhiyuan. Experimental Investigation on Wave Decay through Vegetation Patch with the Quantitative Generalized Model of Root, Stem and Canopy[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
Citation: Zeng Siyi, Chen Jie, Jiang Changbo, He Fei, Long Yuannan, Qu Ke, Deng Bin, Wu Zhiyuan. Experimental Investigation on Wave Decay through Vegetation Patch with the Quantitative Generalized Model of Root, Stem and Canopy[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20180110
  • 红树林是指生长在热带、亚热带海湾及河口泥滩上,以红树植物为主体的常绿灌木或乔木组成的潮滩湿地木本生物群落。在我国,红树林种类丰富且广泛分布于海南岛、广西、广东和福建等地沿海潮间带。红树林有“海岸卫士”之称,大量观测资料表明,红树林可通过对波浪产生阻力耗散波能从而达到消波护岸的目的[1]。为探究红树林对波能的消减机制,以更好的利用和发挥红树林消波护岸、防灾减灾功能,众多学者对红树林与波浪之间的相互作用开展了大量研究工作[2-4]

    其中,Massel等[5]将红树林的根和茎视为圆柱,通过数值模拟探究了根茎不同分布密度条件下波浪的传播变形;Huang[6]和陈杰[7]等主要考虑了冠部及干部的影响,研究中均将红树林概化为垂直圆柱,通过物理模型实验对红树林影响下波高的衰减变化进行了研究;Hashim等[8]对红树林根部对植被区沿程波高的影响进行了研究,发现根的分布密度及其分布方式均会对消波效应产生影响。总结前人研究成果可以发现,上述学者均将红树林根、茎、叶作为独立因素考虑其对波浪传播变形的影响。而实际情况中,在不同潮位条件下,红树林类的根系发达的近岸水生乔木,其冠部、干部和根部均会与波浪发生相互作用,共同影响着植物的消波特性[9-10]。近期,陈杰等[11-12]、何飞等[13-16]采用综合考虑根茎叶影响的红树林人造植物模型进行了实验研究,建立透射系数与相对波高、树根高度、树干高度、树冠高度、植物带宽度、分布密度之间的关系,研究发现植被区中的波能衰减特性受到植物组成、分布密度及淹没度等因素的影响。可见,对红树林这类型植物的消波研究必须综合考虑根茎叶的作用。

    现阶段,综合考虑红树林根茎叶对消波特性影响的研究相对较少。以陈杰等[11-12]、何飞等[13-16]为代表的学者在其研究中所采用的植物模型对根和叶在消波过程中所表现的几何形阻特征缺乏定量表述。为弥补现有研究的不足,本文拟在陈杰等[11-12]和何飞等[13-16]的研究基础上,对根茎叶进行定量概化,采用根茎叶定量概化植物模型,进一步探究红树林等近岸水生乔木的波高衰减机制。

    • 实验在长沙理工大学波浪水槽中进行,水槽长40.0 m,宽0.5 m,高0.8 m,实验布置如图1所示。在陈杰等[11-12]、何飞等[13-16]实验基础上,参考白玉川[17]、吉红香[18]等学者对我国防浪植被区的相关调查资料,同时考虑实验室场地以及仪器设备等条件,设计本实验模型几何比尺为1∶10。将植物的根茎叶进行定量概化,植物概化模型如图2所示。实验模型中根茎叶均采用有机玻璃管进行模拟(有机玻璃管密度为1.2 g/cm3)。其中,树干的直径为1.0 cm,根及叶圆管直径均为0.6 cm。植被区沿流向长度S = 2.0 m,垂直流向宽度d = 0.5 m与水槽同宽。为探究植物根部和冠部的密度变化对消波的影响,植物根密度(ψ1)、叶密度(ψ2)分别设计16根/株、30根/株两种情况,并进行两两交叉组合得到4种不同的根茎叶定量概化的植物模型。

      图  1  实验布置

      Figure 1.  Sketch of experiment

      图  2  植物模型

      Figure 2.  Vegetation model

      Lima等[19]通过研究发现,植物消波特性与波长和植被区长度的比值有关,本文参考Lima等[19]的研究结果,按L/S小于1、等于1及大于1 3种情况分类考虑,分别设计3种周期1.0、1.5、2.0 s和4种水深25.0、30.0、35.0、45.0 cm。当水深h = 25.0 cm和30.0 cm时,将对应波高H分别设为3.0、5.0、7.0和9.0 cm;当h = 35.0 cm和45.0 cm时,H分别设为5.0、7.0、9.0和12.0 cm,所对应的L/S的变化范围为0.7 ~ 1.9。定义淹没度hv = hc/hhc为叶底部与水槽底部的垂直距离。详细的实验工况如表1所示。

      表 1  实验工况

      Table 1.  Experimental cases

      序号
      Model
      根密度ψ1 (根/株)
      Root densityψ1 (sticks/plant)
      叶密度/(根·株− 1)
      Canopy density (ψ2)/(sticks·plant− 1)
      实验水深
      Water level (h)/cm
      入射波高
      Wave height (H)/cm
      入射波周期
      Wave period (T)/s
      模型1 Model 130.030.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.01.0, 1.5, 2.0
      30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      模型2 Model 230.016.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      模型3 Model 316.030.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      模型4 Model 416.016.025.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      30.03.0, 5.0, 7.0, 9.0
      35.05.0, 7.0, 9.0, 12.0
      45.05.0, 7.0, 9.0, 12.0

      实验开始时,首先将植物模型放入波浪水槽中,将仪器放置在对应设计位置,并打开造波机对造波机进行预热,以保证造波机工作稳定。然后打开数据采集系统,确保浪高仪性能良好,随后调整水槽内水位至设计水位,待水面平静后控制造波机造波,同时采集浪高仪数据并保存。受模型布置的影响,实验采用超声波ULS 80D型号浪高仪对植被区外部波高进行测量,采样频率为50 Hz;采用加拿大WG-50型浪高仪对植被区内部波高进行测量,采样频率为128 Hz,加拿大浪高仪最小测量周期为1.5 µs,误差为0.4%,数据采集时间不少于60.0 s。每完成一个组次实验后,需待水面平静后,再进行一组次造波,重复上述步骤完成下一组次实验。

    • 波浪在植被区传播时波能将发生衰减。Kobayashi等[20]基于线性波理论和动量守恒方程,提出了规则波作用下波高衰减规律理论模型,得到波浪经过植被区时沿程波高衰减呈指数函数规律,其表达式为:

      $$H = {H_0}\exp ( - \lambda x)$$ (1)

      式中:λ为波能衰减系数,H0为入射波波高。

      本文将实验所得植被区沿程波高衰减规律与Kobayashi等[20]提出的指数函数波高衰减规律进行对比,并对植被区沿程波高的变化特性进行讨论分析如下。

    • 图3分别给出根部以及冠部不同密度条件下植被区波高沿程变化情况。当淹没度hv = 1.0时,根据式(1)计算得到波能衰减系数λ的范围为:0.06 < λ < 0.22。由图3(a)3(b)可知,当根密度ψ1 = 30,叶密度ψ2 = 30及ψ1 = 30,ψ2 = 16时,在入射波高H = 5.0、7.0 cm条件下的实验值与式(1)计算所得理论值吻合较好;此外,除根密度ψ1 = 16,叶密度ψ2 = 30在小波高条件下发生雍高现象外,植被区波高沿程均呈递减趋势。为定量研究波浪雍高现象,本文定义相对雍高值:

      图  3  L/S小于1.0时不同根和叶分布密度情况下的植被区沿程波高变化规律

      Figure 3.  The variation of wave height along the vegetation patch with different arrangement densities of roots and canopies and L/S are all under 1.0.

      $$\alpha {\rm{ = }}\frac{{{H_i} - {H_0}}}{{{H_0}}} \times 100\% $$ (2)

      式中:Hi为植被区i位置处波高(i = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 m),由此计算得到相对雍高值α分别为10.0%和2.0%。

      当淹没度hv = 0.8时,根据式(1)计算所得λ的范围为:0.09 < λ < 0.26,当ψ1 = 30,ψ2 = 16时,大波高(H = 7.0、9.0 cm)条件下的实验值与式(1)Kobayashi等提出的波高指数衰减模型计算所得理论值吻合较好。其中,图3(c)中,当ψ2 = 30时,波高在植被区中沿程递减,但当ψ2减小至16后,小波高(H = 3.0、5.0 cm)条件下的波浪在进入植被区后出现了雍高现象,其α值分别为6.0%、4.0%,而图3(d)中,减小ψ1未对雍高现象产生明显影响,可见此时植物对波浪的阻碍作用主要发生在冠部,叶在消波过程中起主要作用。

      hv = 0.7时,根据式(1)计算所得λ的范围为:0.15 < λ < 0.33;当ψ1 = 30,ψ2 = 30及ψ1 = 16,ψ2 = 30时,由于植物的阻碍作用,波高在进入植被区后在植被区的前半段(0 < x < 1.0 m)衰减剧烈,Sánchez-González等[21]将上述植被区波高沿程衰减规律表述为波浪从平底区域传播至植被区产生植物消波的边界效应;而当ψ1 = 30,ψ2 = 16时,波高Hix的敏感度随x的增大而逐渐增强,表明此时随着波浪在植被区传播,其波高衰减强度逐渐增强,波能衰减在植被区后半段较为剧烈,植被区消波并无边界效应存在。当hv = 0.6时,根据式(1)计算所得λ的范围为:0.16 < λ < 0.47;除图3(g)中,ψ2 = 16条件下H = 5.0 cm时实验值与Kobayashi等[20]提出的波高衰减模型吻合较好外,其余情况实验值均小于理论值,且在植被区的前半段波高剧烈衰减,植被区消波呈现明显的边界效应。

      综上,当波长与植被区沿流向长度之比L/S < 1.0即波长相对植被区沿流向长度较小时,波能衰减系数λ的范围为:0.06 < λ < 0.47,且随淹没度hv的增大而增大,其中当hv = 0.6时,消波效果最好。当hv ≥ 0.8时,波浪与叶基本不存在相互作用,而对根部周围水质点的运动影响较大,植物对波能的消减主要产生在根部,故此时改变ψ1比改变ψ2对植物消波影响更大,根在植物消波过程中起主要作用。而当hv < 0.8时,波浪主要与植物的茎及叶相互作用,而根部对周围水体的运动影响较小,植物对波能的消减主要发生在冠部,故此时增大ψ2显著促进了植物的消波作用,使沿程波高剧烈衰减。

    • 图4分别给出为1.0 < L/S ≤ 1.2时根和叶不同密度组合情况下植被区波高沿程变化情况。

      图  4  L/S大于1.0小于等于1.2时不同根和叶分布密度情况下的植被区沿程波高变化规律

      Figure 4.  The variation of wave height along the vegetation patch with different arrangement densities of roots and canopies, and.L/S are in the range 1.0−1.2.

      当淹没度hv = 1.0时,根据式(1)计算得到波能衰减系数λ的范围为:0.06 < λ < 0.19;当根密度ψ1 = 16,叶密度ψ2 = 30时,小波高(入射波高H = 3.0、5.0 cm)条件下的实验值与Kobiyashi等提出的指数函数衰减模型吻合较好。图4(a)中,当ψ1 = 30,ψ2 = 16时,在植被区的前半段(0 < x < 1.0 m)出现雍高现象,H = 3.0、5.0、7.0、9.0 cm对应的相对雍高α值分别为11.0%、8.0%、6.0%和1.0%,可见尽管雍高高度随H的增大而增大,但相对雍高值随H的增大而减小。当hv = 0.8时,根据式(1)计算得λ的范围为:0.02 < λ < 0.16;其中,在植被区前端(0 < x < 0.5 m)不同密度分布及波高条件下均出现雍高现象,雍高高度随H的增大而增大,αH的增大由6%逐渐减小到0。同时,由图4(c)4(d)可知,无论减小ψ1还是ψ2,植被区中波能衰减强度虽有减弱,但均未产生显著差异,可见此时根和叶均未在消波的过程中起主导地位。当hv = 0.7时,根据式(1)计算所得的λ的范围为:0.05 < λ < 0.21;当ψ1 = 30,ψ2 = 16且H = 3.0 cm时,实验值与式(1)计算得到的波高衰减模型吻合较好,其他情况下实验值均大于理论值;此外,不同密度组合情况下,当H = 12.0 cm时,波高在植被区前端(0 < x < 1.0 m)衰减剧烈,呈现出明显的边界效应。

      综上,当1.0 < L/S ≤ 1.2,即波长与植被区沿流向长度接近时,波能衰减系数λ的范围为:0.02 < λ < 0.21,且当淹没度hv = 0.8时达到最小值,此时消波强度最弱。不同密度组合情况下的实验值整体大于由Kobayashi等提出的波高衰减指数函数模型计算得到的理论值。此外,由图4(a)4(b)中入射波高H = 3.0 cm时波高的沿程变化可知,当hv = 1.0时,减小ψ2,相对雍高值α由9.0%增大至11.0%,减小ψ1α减小至7.0%。对比图4(c)4(d)H = 3.0 cm时波高的沿程变化发现,无论是减小ψ1还是减小ψ2α均减小,最小减至3.0%;同时,随着淹没度的增大,增大根和叶的密度对消波作用的影响逐渐增强。由此可见,根、叶的分布密度对消波效应的影响与淹没度密切相关。

    • 图5分别为波长与植被区沿流向长度之比L/S > 1.2时根和叶不同分布密度情况下植被区波高沿程变化图。当淹没度hv = 0.6、L/S = 1.4时,根据式(1)计算得到的波能衰减系数λ的范围为:0.07 < λ < 0.23。当根密度ψ1 = 30、叶密度ψ2 = 16,入射波高H = 3.0、5.0、7.0 cm以及当ψ1 = 16,ψ2 = 30,H = 3.0 cm时,沿程波高的实验值与式(1)所得的波高衰减模型吻合较好。

      图  5  L/S大于1.2时不同根和叶分布密度情况下的植被区沿程波高变化规律

      Figure 5.  The variation of wave height along the vegetation patch with different arrangement densities of roots and canopies, and.L/S are all above 1.2.

      当淹没度hv = 1.0,波长与植被区沿流向长度之比L/S = 1.5时,根据式(1)得到波能衰减系数λ的范围为:0.03 < λ < 0.23。当根密度ψ1 = 30,叶密度ψ2 = 16时的小波高(入射波高H = 3.0、5.0 cm)条件下的实验值与式(1)计算所得的波高指数衰减理论值吻合较好,而当ψ1 = 30,ψ2 = 30、ψ1 = 16,ψ2 = 30时实验值均大于理论值;同时,当ψ1 = 30,ψ2 = 30时,在植被区前端(0 < x < 1.0 m)均出现雍高现象,相对雍高值αH的增大由13.0%逐渐减小至3.0%,由图5(c)5(d)可知,减小ψ1后,仍出现雍高现象,而减小ψ2后,未出现雍高现象,此时叶较根在植物消波中起主要作用。当hv = 0.8,L/S = 1.6时,根据式(1)得到λ的范围为:0.09 < λ < 0.23;在大波高(H = 7.0、9.0 cm)条件下,实验值较式(1)所得波高衰减理论值大,而在小波高条件下,植被区前半段(0 < x < 1.0 m)实验值则略小于理论值;此外,在植被区的后半段(1.0 m < x < 2.0 m)波高出现雍高现象,且雍高高度随H的增大而增大。当hv = 0.7,L/S = 1.7时,根据式(1)得到λ的范围为:0.09 < λ < 0.29,其中,当ψ1 = 30,ψ2 = 16时,实验值与式(1)所得的波高衰减模型吻合较好,其他情况下实验值均大于式(1)所得波高衰减模型理论值,且理论值与实验值之差随H的增大而增大。当hv = 0.6,L/S = 1.9时,根据式(1)得到λ的范围为:0.07 < λ < 0.20,不同模型的实验值均大于式(1)所得波高衰减理论值,且在植被区的后半段波高衰减较前半段剧烈,不存在边界效应。当ψ1 = 30,ψ2 = 16、H = 5.0、7.0、9.0 cm时,在植被区的前半段出现雍高现象,αH的增大逐渐从3.0%减小至1.0%。

      综上,当波长与植被区沿流向长度之比L/S > 1.2,波能衰减系数λ的范围为:0.03 < λ < 0.29,随着淹没度的增大,增大叶的密度对消波强度的影响逐渐增强,而增大根的密度对消波作用的影响逐渐减弱,当淹没度hv = 0.7时,λ达到最大值,此时植物消波效果最好。波浪在植被区传播的过程中出现雍高现象,且雍高现象主要发生在波浪进入植被区后的前半段。雍高现象的产生与波浪作用区域植物的密度特征有关,当减小叶的密度后,叶对波浪的阻碍作用减弱,导致当叶密度为30根/株时出现雍高现象,而当叶密度为16根/株时未出现雍高现象。

    • 本文采用根茎叶定量概化的植物模型模拟红树林,对规则波作用下根和叶不同密度条件下植被区波高衰减特性进行了实验研究。根据Kobayashi等的指数函数波高衰减模型计算得到沿程波高衰减理论值及波能衰减系数,以定量研究不同入射波条件下植被区波高衰减规律。研究发现波长与植被区沿流向长度之比、根和叶的密度、以及淹没度均会对植被区沿程波高衰减规律产生影响。总结如下:

      (1)当波长与植被区沿流向长度之比L/S < 1.0时,波能衰减系数的范围为:0.06 ~ 0.47;当波长与植被区沿流向长度之比1.0 < L/S ≤ 1.2时,波能衰减系数的范围分别为0.02 ~ 0.21;当波长与植被区沿流向长度之比L/S > 1.2时,波能衰减系数的范围分别为0.03 ~ 0.29。波能衰减系数随波长与植被区沿流向长度之比L/S的增大呈先减小后增大的趋势,当波长与植被区沿流向长度接近时,消波强度最弱。

      (2)在波长与植被区沿流向长度之比大于1.2条件下,当根叶均为小密度(根16根/株,叶16根/株)时,实验值与Kobayashi等波高指数衰减模型基本吻合,而在其他密度条件下实验值均大于该波高衰减模型理论值,且波高衰减的敏感度沿流向逐渐增强,植被区消波无边界效应存在。

      (3)在波长与植被区沿流向长度之比1.0 < L/S ≤ 1.2条件下,当淹没度等于1.0时,相对雍高值随叶密度的减小而增大,最大可增至13.0%,相对雍高值随根密度的减小而减小,最小可减至0。而当淹没度等于0.8时,减小根或叶的密度,相对雍高值均减小。此外,淹没度越小,增大叶的密度对植物的消波作用越有利,淹没度越大,增大根的密度更有利于植物消波。

      本文研究成果可为利用以红树林为代表的近岸刚性植物进行消波护岸提供一定理论依据。

参考文献 (21)

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