破碎波条件下海岸防浪林对波浪爬高消减的试验研究

刘 达，黄本胜，邱 静，吉红香，谭 超，王 珍

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510610；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510610）

破碎波条件下海岸防浪林对波浪爬高消减的试验研究

刘 达1，2，3，黄本胜1，2，3，邱 静1，2，3，吉红香1，2，3，谭 超1，2，3，王 珍1，2，3

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广东 广州 510610；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510610）

海岸防浪林对于抵御风暴潮袭击作用巨大，可以有效削减风暴潮灾害。以往的研究多偏重于植物消浪的微观机理研究，模型试验选取的波浪条件一般为非破碎波，防浪林一般采用刚性杆进行概化模拟，这与实际海岸的破碎波条件及实际种植的防浪林的外形条件差异都很大。本文为了能够使模拟结果更符合沿海实际情况，在树种的概化模拟上以目前沿海实际种植的防浪林树种为模拟对象，同时，模拟了近岸破碎波对海岸的冲击，波浪条件上与实际更为接近。通过物理模型试验，系统研究了海岸防浪林带种植宽度、种植排列方式、树种高度和滩地坡度等对消浪效果的影响，同时还研究了树干与树冠的消浪效果贡献比。

植物消浪；消浪系数；影响因素；物理模型

1 研究背景

华南沿海地区是我国经济社会发达的地区，特殊的地理位置使得该地区频繁遭遇台风暴潮的袭击，每年由此带来的损失是巨大的。目前，用于抵抗台风暴潮的工程措施主要是海堤，建设海堤常常需要巨大的投入，即便如此，当遇到超强台风的正面袭击时，海堤往往也受到不同程度的损毁。在长期的生产实践中，人们逐步认识到在海堤外滩地种植生物防浪林，能够形成柔性的消浪体系，使波浪在到达海堤前得到最大程度的消减，减轻对海堤的危害。2004年12月的印度洋地区海啸灾难中，在茂密的红树林保护之下的岸边房屋完好无损，而与它相距仅70 km、没有红树林保护的地区，村庄、民宅都被夷为平地，70%居民遇难。我国广东省珠江三角洲的珠海市、江门市和中山市等部分地区种植的堤外滩地防浪林也在历次台风暴潮袭击中充分发挥了防御作用。

鉴于沿海防浪林对海岸防护的重要作用，国内外均开展了相关研究。章家昌［1］在20世纪60年代开展了室内试验，指出枝叶部分对消波也起着很重要的作用。黄本胜、吉红香等［2-4］通过概化模型试验，研究了珠江三角洲内河堤的植物消浪问题。白玉川等［5］用裁减的桧柏枝模拟防浪树，研究了非破碎波条件下的防浪林消浪效果。Knutson［6］和Möller等［7］研究都发现波高在植物区内是指数级衰减的。Muslesh等［8］采用刚性杆模拟刚性未淹没植物，研究了植物杆径与横纵排列对水深及流速的影响。White等［9］也采用刚性杆通过试验及实地观测详细研究了植物的拖曳力作用。Bouma等［10］通过柔性以及刚性植物的规则波试验，研究了植物刚性对波浪的影响。

由上可见，植物消浪问题较为复杂，植物因素及波浪因素对消浪效果影响的系统研究还鲜有述及，且在以往研究中，为了简化问题，波浪条件一般选取的是非破碎波，防浪林则用刚性杆群进行高度概化，这与沿海的实际情况差异较大。本文以目前沿海实际种植的防浪林树种为模拟对象，模拟了近岸破碎波对海岸的冲击，波浪条件上与实际更为接近。通过物理模型试验，系统研究了海岸防浪林带种植宽度、种植排列方式、树种高度和滩地坡度等对消浪效果的影响，同时还研究了树干与树冠的消浪效果贡献比。

由于本文选择的相对波高较大，故波浪在向近岸滩地传播的过程中发生变形以致破碎。波浪破碎后，一部分势能转化为动能，波能以部分波高及冲击流（动能）的形式向前传播，进而沿斜坡海堤堤面爬高。因此，破碎波条件下，防浪林带后的波高并不能完全代表波能经过植物区衰减后的余能，而波浪在斜坡海堤上的爬高却在相当程度上代表了经植物区衰减后的剩余波能最终转化后的势能。因此，在消浪系数的计算上采用波浪爬高值作为衡量指标。消浪系数K的值越大表示消浪效果越好，K表达式如下：

式中：Ha0为无防浪林时的波浪爬高；Ha为有防浪林时的波浪爬高。

2 物理模型设计

2.1 模型比尺本次试验是在波浪水槽中进行，依据华南沿海典型树种红树林的外型参数及波浪要素的特征值，结合实验室波浪水槽的实际情况，按照重力相似原则确定模型的比尺lr=20。

2.2 波浪要素特征值的选取由于华南沿海波浪大部分能量集中在周期为4～12 s的重力波内，波浪周期一般为4～8 s，故试验选取了6 s、8 s和10 s三种波周期，在此基础上选择了4个原体波高值，分别为1m（波周期6 s）、2m（波周期6 s）、3m（波周期8 s）和4m（波周期10 s）。根据波高比尺和波周期比尺，相应的四组模型波浪条件分别为波高5 cm（波周期1.34 s）、波高10 cm（波周期1.34 s）、波高15 cm（波周期1.79 s）和波高20 cm（波周期2.24 s）。由于植物消浪的复杂性，为抓住主要矛盾，试验采用规则波。

2.3 滩地坡度及近岸水深的选取滩地坡度的变化选择1∶15的华南沿海滩地的典型坡度（3.4节除外）。近岸水深为14m，根据模型比尺换算的造波板前水深为70 cm。

2.4 防浪树模拟设计按照红树林的外型几何相似和树冠区孔隙率相似来控制模拟精度。根据模型几何比尺，选择了外形特征与原体红树林基本相似的模型树。模型树的外形特征为树高20 cm、胸径0.5 cm、树干高10 cm、冠高10 cm、冠幅5 cm，原体及模型的红树林见图1和图2。原体红树林树冠的平均孔隙率约为0.85～0.95，模型树的树冠孔隙率选取为0.84，孔隙率的测定采用量筒排水法。

2.5 模型布置与量测设备试验在河口水利技术国家地方联合工程实验室长66m、宽1.0m、高1.6m的波浪水槽中进行，模型上安装有波高仪、爬高仪及压力传感器等量测设备。模型布置见图3。

图1 华南沿海典型红树林

图2 本次试验的红树林模型树

图3 模型布置示意

图4 防浪林宽度变化对消浪系数的影响

图5 无防浪林时堤前波浪破碎冲击流态

图6 宽度1.5m的防浪林消波流态

3 防浪林带对波浪爬高消减的试验成果

3.1 防浪林带宽度对消浪效果的影响不同宽度植物带的消浪效果对比见图4，有无防浪林的波浪状态对比见图5和图6。由图可见，随着防浪林带宽度的增加，消浪系数在一定范围内会线性增大，在防浪林宽度增长到100 cm宽度（原体20m宽），消浪系数的增长明显趋缓，至150 cm宽度（原体30m宽），消浪系数基本不再变化，达到0.70～0.89，也就是说原体30m宽的沿海防浪林带基本能够保证削减约70%的波浪能量。

3.2 防浪林带内部树木排列方式对消浪效果的影响在沿海地区，人工防浪林在种植上通常需要综合考虑景观功能、行船功能以及生态功能等因素，不宜种植的过密，但为了保证消浪效果，又不能种植得过于稀疏。滩地坡度保持1∶15、模型防浪林带宽度为150 cm不变的前提下，分别研究了横向株间距5 cm、排距5 cm（模型树总数为279棵），横向株间距10 cm、排距5 cm（模型树总数为144棵），横向株间距5 cm、排距10 cm（模型树总数为124棵），横向株间距10 cm、排距10 cm（模型树总数为64棵）4种不同的林木排列方式下的消浪效果，对比结果见图7。结果表明，当防浪林宽度不变，防浪林内部的植物量对消浪效果的影响最敏感，排列方式的影响很小。消浪系数随着植物量的减少而线性降低，4种波高条件下的平均消浪系数由0.81分别降低到0.68、0.64和0.53。当植物量基本相同时，防浪林带内部林木排列方式的改变对消浪效果的影响差异不大，如横向株间距10 cm、排

距5 cm和横向株间距5 cm、排距10 cm两种内部林木排列方式在4种波高条件下的消浪系数均较为接近（前者0.68、后者0.64），消浪系数上存在的较小差异主要也是植物量不同造成的。因此，当防浪林总宽一定时，消浪效果取决于内部总植物量的多少，防浪林带内部的林木排列方式对消浪效果的影响较小。

3.3 树种高度对消浪效果的影响当滩地坡度1∶15、防浪林带宽度为150 cm及横向株间距10 cm、排距10 cm的排列方式条件下，选择造波板前水深70 cm和80 cm两种水深下比较了两种高度不同的防浪树（红树林模型树高为20 cm、落羽杉（也是一种常见的防浪林）模型树高50 cm）对消浪效果的影响。

试验结果显示（见图8和图9），在造波板前水深70 cm时，红树林的消浪效果明显好于落羽杉，红树林平均消浪系数为0.53，而落羽杉平均消浪系数0.38；当造波板前水深80 cm时，规律则相反，落羽杉的消浪效果要好于红树林，落羽杉平均消浪系数为0.61，而红树林的平均消浪系数0.38。

图9 水深80cm时落羽杉与红树林消浪系数的比较

图8 水深70cm时落羽杉与红树林消浪系数的比较

图7 不同林木排列方式时的消浪效果比较

通过试验观察，经分析认为红树林和落羽杉消浪效果不同的原因在于防浪林的外形特征与滩地水深条件的配合关系，具体而言，由于树冠区为防浪林主要的消浪区域，树冠区与破碎波立面冲击区的重合度决定了消浪效果。当水深70 cm时，静水水面刚好淹没至红树林带的中部，此时红树林的树冠区刚好一半被淹没且露出的一半在来波条件下也刚好被淹没；而对于落羽杉，则在静水时刚好淹没树干区、来波条件下淹没至树冠区下部，因此，在该组次下，红树林的树冠区基本与破碎波立面冲击区重合，而落羽杉则基本上是用树干消浪，树冠消浪仅占很小的一部分，因此消浪效果明显差于红树林。当水深80 cm时，红树林在静水时树冠区刚好完全淹没，在来波条件下则处于10～40 cm的淹没深度，而此时落羽杉的树冠区在来波条件下刚好与破碎波冲击区完全重合，因此消浪效果在这个滩地水深组次下明显好于红树林。

综上所述，不同防浪林树种在不同滩地水深条件下具有不同的消浪效果；消浪效果不能仅从防浪林是否被淹没及其淹没度来衡量；树冠区作为主要消能区域，该树种的树冠区与破碎波立面冲击区的重合度对消浪效果的影响很大，重合度越高消浪效果越好，反之越差。

3.4 滩地坡度对消浪效果的影响滩地坡度对消浪效果影响的研究和讨论由来已久，国内天津大学白玉川等［5］研究了波浪未破碎条件下平坡和斜坡上种树时消浪系数的对比，认为在同等条件下将防浪林种植在斜坡上能够取得更佳的消浪效果。南京水利科学研究院章家昌［1］在计算消浪系数的公式中则没有引入滩地坡度这一项。本文在防浪林带（红树林）总宽150 cm、横向株间距和排距均为5 cm时，对比了滩地坡度1∶15和1∶20的消浪效果，见图10。试验结果表明，两者的消浪系数平均相差3%，消浪效果差别较小。因此，在消浪效果的评价中基本可以忽略滩地坡度变化的影响，以便抓住主要影响因素。

3.5 树干与树冠消浪效果对比研究防浪林对海堤的保护是通过消减波浪实现的，主要是依靠树干及茂盛的枝叶来削减波浪，但是树干区与树冠区各自对消浪效果的贡献多大，相差多少，这方面的研究对于更加深入的认识防浪林的消浪机理具有重要的理论意义及实际价值。为此，试验研究比较了防浪林宽度均为150 cm且同等排列方式下（均为横向株间距5 cm、排距5 cm排列），群杆与带枝叶的模型树（模型树树干直径与刚性杆相同、树高与杆高相同）消浪效果的差异。

图10 滩地坡度1∶15与1∶20时消浪系数的比较

图11 带树冠层的模型树与群杆消浪效果对比

图11为两者消浪效果的比较。由图可见，群杆的消浪效果明显比带枝叶冠层的模型树差，前者的消浪系数平均值为0.24，后者的消浪系数平均值为0.83，通过计算可知，树冠区的平均消浪效果占防浪林总消浪效果约60%。从试验观察及定性的原因分析上看，主要是因为树干区消波更多的是依靠拖曳力，而树冠区消波不但由于枝叶产生的拖曳力来消波，还由于其丰富茂盛的细小枝叶造成水体紊动强度加大，会产生非常多的小尺度漩涡，能够大量消耗波浪能量，此外在冠层中可将波浪冲击流变为孔隙流，进一步削减波能。

4 结语

本文以目前沿海实际种植的防浪林树种为模拟对象，同时，模拟了近岸破碎波对海岸的冲击过程，无论是防浪林的外形条件还是波浪条件均与实际更为接近。通过物理模型试验，系统研究了海岸防浪林带种植宽度、种植排列方式、树种高度和滩地坡度等对消浪效果的影响，同时还研究了树干与树冠的消浪效果贡献比。主要结论如下：（1）在海岸滩地种植30m宽的防浪林带基本能够保证削减约70%的波浪能量；（2）当防浪林宽度不变，防浪林内部的植物量对消浪效果的影响最敏感，排列方式的影响很小；（3）防浪林树冠区与破碎波立面冲击区的重合度对消浪效果的影响很大，重合度越高消浪效果越好，反之越差；（4）滩地坡度1∶15和1∶20的消浪效果十分接近，因此，在消浪效果的评价中基本可以忽略滩地坡度变化的影响，以便抓住主要影响因素；（5）树干和树冠消浪效果的对比研究结果表明，树冠区消浪贡献占比约60%。

此外，由试验研究结果发现，消浪系数与种植密度密切相关，由于模型树很难使种植密度达到其对消浪系数的敏感拐点，这需要在数模中利用植物区孔隙率的逐级变化对此问题进一步的研究。

参 考 文 献：

［ 1］ 章家昌.防波林的消波性能［J］.水利学报，1966（2）：49-52.

［ 2］ 黄本胜，吉红香.植物护岸对大堤波浪爬高影响试验初探［J］.水利技术监督，2005（3）：43-46.

［ 3］ 吉红香，黄本胜，邱秀云，等.滩地植物对波浪变形及消浪效果影响试验研究［J］.广东水利水电，2008（8）：14-18.

［ 4］ 吉红香，黄本胜，邱秀云，等.植物护岸对波压力的影响试验研究［J］.广东水利水电，2006（2）：17-19.

［ 5］ 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，2005，8（3）：65-68.

［ 6］ Knutson P L，Brochu R A，Seelig W N，et al.Wave damping in Spartinaalterniflora marshes［J］.Wetlands，1982，2（1）：87-104.

［ 7］ Möller I，Spencer T.Wave dissipation overmacro-tidal saltmarshes：Effects ofmarsh edge typology and vegeta⁃tion change［J］.Journalof Coastal Research，2002，S136：506-521.

［ 8］ Muslesh FA，Cruise JF.Functional relationshipsof resistance in wide flood plainswith rigid unsubmergedvegeta⁃tion［J］.Journalof Hydraulic Engineering，2006，132（2）：163-171.

［ 9］ White B L，Nepf H M.A vortex-based model ofvelocity and shear stress in a partially vegetated shallowchannel［J］.WaterResourcesResearch，2008，44（1）：W 01412.

［10］ Bouma T J，De Vries，Low M B，et al.Trade-offs relatedto ecosystem engineering：A case study on stiffness of emergingmacrophytes［J］.Ecology，2005，86（8）：2187-2199.

（责任编辑：王成丽）

Experimental investigation on the effects of the counter-wave plants under the condition of broken waves

LIU Da1，2，3，HUANG Bensheng1，2，3，QIU Jing1，2，3，JI Hongxiang1，2，3，TAN Chao1，2，3，WANG Zhen1，2，3
（1.Guangdong research instituteofwater resourcesand hydropower，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Key Laboratory of Hydrodynam ic Research，Guangzhou 510610，China；3.State Joint Engineering Laboratory of Estuary Hydraulics，Guangzhou 510610，China）

Counter-wave plants constructed along sea walls can maximally counteract the waves before they reach the banks to decrease the dangers caused by typhoon.However，systematic research，statistical analy⁃sis and scientific scheduling，especially module experiments are still lack of further investigation.In order to make the simulation as practical as possible，the simulated p lants are adopted from the real tree species planted in coastal regions.Meanwhile，the impacts exerted by fragmentized waves along shore was consid⁃ered to ensure the high approximation of the real boundary conditions.The effects of both bio and non-bio elements in counter-wave system were compared by using p lastic trees to represent the mangrove commonly planted in coastal regions.

biological wave counteracting；counter-wave coefficient；range of influence；physical model

U656

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.003

1672-3031（2015）05-0333-06