斜坡非淹没柔性植物对船行波消减效能的试验研究

李佳皓 拾兵 倪锦远

摘 要：本文借助物理模型试验，研究了船行波与斜坡上种植非淹没柔性植物的相互作用。通过对不同植物分布密度、不同航速的组合试验，分析了船行波经过植物后的爬高、回落、流速的变化趋势。经试验资料分析，拟合得到了植物分布密度与船行波爬高与回落的消减关系的经验公式，可为生态航道护岸设计提高技术参考。

关键词：柔性植物;船行波;消波;试验研究

中图分类号：U617.8           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）01-0062-03

1引言

在内河航道或狭窄的人工运河中航行的船会形成典型的浅水船行波。船行波会造成岸坡塌损、航道淤积等一系列不利影响。现有研究表明，船行波是造成岸坡破坏的最重要的因素。柔性植物的摆动效应、壅水效应、波能耗散效应等能够有效的消减船行波的能量，起到碎波、挑流等作用。

在植物消波领域，学者们做了大量的研究。姚宇、杜睿超等研究了斜坡上刚性植物对孤立波的爬高作用[1]。 何飞等研究了不规则波作用下植物消波特性，得出叶的消波效果明显强于根部的试验结论[2]。黄本胜等研究了植物护岸对大堤波浪爬高影响，指出在岸滩上种植植物可以有效消减波浪的能量保护岸坡[3]。吴迪等针对柔性植物消浪及沿程阻流特性开展物理模型试验，分析了柔性植物的消浪及阻流特性[4]。

本文在已有研究成果的基础上，在前人试验的基础上设计新试验，充分考虑柔性植物的根、茎、叶的影响以及波浪作用下柔性植物的擺动，开展了斜坡上非淹没柔性植物对船行波的响应的研究。

2 理论分析

研究表明，柔性植物可以对波浪产生积极的响应[5-6]。合理种植斜坡上的植物，可以起到消减波浪能量的作用。探索柔性植物对船行波爬高、回落的消减作用可以为植物生态护岸提供重要的参考。船行波水体经过植物带后的流速变化可以反映出柔性植物的消能作用。

式中：      —斜坡糙渗系数。m为斜坡坡度，   由公式（1）分析，船行波爬高主要取决于波要素、水深、岸坡糙率等。内河航道岸坡糙率是影响船行波爬高的主要因素。相关研究表明[7]，种植植物可以有效的改变河道的糙度。

试验探索的是柔性植物对船行波的响应，故需要对植物消波的能力进行分析。柔性植物的消波能力受到多种因素的影响。与统一概化的刚性植物相比，柔性植物的消波机理比较复杂。结合已有的研究结论，本试验采用下式分析植物消减波浪的能力[8]：

式中： 为水深;为入射波波高; 为波长;为植物树干型心高度;为植物根部高度;为植物树冠型心高度;为植物分布密度; 为植物群宽度。

由于自然界中岸坡柔性植物通常具有相同的排布方式和相似的根、茎、叶等部位，所以对船行波的响应方面选择植物分布密度为主要研究因素。试验中使用的船模是满足弗劳德相似的内河航船，各种船体要素是固定的。所以试验主要探索的是船航速对船行波的影响。

3 试验布置

试验采用改变主要因素、忽略次要因素的方式，探索不同的植物分布密度及航速下植物消减船行波的效能。

为考虑波浪作用下柔性植物的摆动，试验植物是考虑根、茎、叶的比尺1：10的按照重力相似准则和刚度相似准则设计的柔软塑料制成的柔性植物，统一按照均匀交错布置。

试验断面按照1：10的正态比尺进行缩放，在3m×1m×0.5m（长×宽×深）的静水船池中进行。试验航道按照五级航道的标准建立。试验航道底宽0.35m，长3m，边坡坡度为1：2。试验水深13cm。顺船航行方向在航道中部斜坡上0.1m×1m（0.1㎡）的斜坡坡面上种植区均匀交错布置植物。船边、植物带后设有电磁流速仪;岸坡上设置精度为0.01mm的水位测针，采用CCD高速相机和水位测针共同测量波浪的爬高。（见图1）

4 试验结果讨论

4.1 植物分布密度与船行波相对爬高的关系

试验中的高航速船行波初始爬高为0.030m，回落为0.054m;低航速船行波初始爬高为0.020m，回落为0.050m。

试验所用的相对爬高、相对回落的概念定义如下：相对回落定义与相对爬高相同。

植物分布密度（单位：株/㎡）是指单位面积上的植物个数，其概念如下：

图2、图3分别显示了采用1.5m/s、2m/s两种航速条件下植物对船行爬高的响应。根据水深弗劳德数进行计算并观察船行波的形态，船行波为典型的浅水船行波。分析可知，随着植物密度增加船行波的相对爬高显著减小。在植物分布密度超过200株/㎡时，高航速船行波相对爬高的消减降低至0.5以下。在植物分布密度超过400株/㎡时，低航速船行波的相对爬高消减降低至0.5以下。爬高与植物分布密度的关系总体呈现线性函数图像和性质。运用MATLAB进行公式拟合得到

，由公式分析，低航速船行波的相对爬高函数图像比高航速船行波的相对爬高函数图像缓。从而可以得出结论，植物对高航速船所造成的高能量船行波的消减作用更明显，即植物对大波的消减效果要强于对小波的消减。但植物分布密度增加到一定程度后，两种船行波的相对爬高会逐渐接近。在植物分布密度较高时，植物对不同船行波的消减能力更加趋于一个稳定的值，此时船行波波要素的变化对植物消减船行波的效能影响较小。

4.2 植物分布密度与船行波相对回落的关系

图4、图5分别反映了植物分布密度与高航速、低航速船行波相对回落之间的关系。由图分析可以得出结论，斜坡上种植柔性植物植物对船行波在岸坡上的回落也有显著的消减。运用MATLAB对试验数据进行分析，可以拟合出高航速、低航速船行波的相对回落与植物分布密度函数分别为

综合分析植物分布密度与船行波相对爬高、相对回落的关系可以得到植物分布密度与船行波相对爬高（回落）的经验公式：

4.3 植物分布密度与水体相对流速的关系

定义相对流速的概念：

植物分布密度的增加可以显著消减船行波带动的水体经过植物的流速。植物对流速的消减非常明显，100株/㎡的植物就可以消减一半以上的流速。总体分析可知，植物分布密度的增加会降低流速。总体上呈现出随植物密度增加，相邻两个点之差的变化逐渐减缓的态势。通过对曲线的分析，在植物分布密度400株/㎡之前，植物对高航速船行波流速的消减能力要显著强于低航速船行波。植物分布密度到一定的值之后，两种船行波的流速逐渐接近，说明植物分布密度对流速不再有明显的消减。

船行波经过植物前后流速变化的对比说明植物可以有效消减船行波的能量。合理布置植物，能够起到有效保护岸坡，消减船行波对岸坡的淘刷、侵蚀等作用。

5  结语

斜坡上种植植物可以有效的消减船行波。试验通过在斜坡上种植植物的物理模型试验，得到了斜坡上种植植物时不同植物分布密度下对船行波的不同响应。研究表明，船行波分布密度与船行波相对爬高、回落有线性函数的关系，该公式可以为护岸的设计提供技术上的参考。同时发现在植物密度增加到一定程度后，再继续增加植物密度对船行波的消减影响不明显。该结论可以为植物护岸经济合理的布置植物提供参考。故通过在斜坡上种植植物，利用植物与现有护岸工程結合，能够构筑经济高效的生态型植物护岸，有助于我国新提出的“绿色水运”目标的实现。

参考文献：

[1]姚宇，杜睿超，袁万成，蒋昌波.斜坡非淹没刚性植被影响下孤立波爬高的研究[J].水动力学研究与进展A辑，2015，30（05）：506-515.

[2]何飞. 不规则波作用下植物消波特性实验研究[A]. 中国海洋学会海洋工程分会.第十八届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上）[C].中国海洋学会海洋工程分会：中国海洋学会海洋工程分会，2017：5.

[3]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（03）：43-46.

[4]吴迪，冯卫兵，石麒琳.柔性植物消浪及沿程阻流特性试验研究[J].人民黄河，014，36（12）：79-81+84.

[5]黄本胜，赖冠文，邱静，万鹏.河滩种树对行洪影响试验研究.水动力学研究与进展，1999，14（4）：468-474.

[6]DAHOUH-GUEBAS F， JAYATISSA L P， NITTO D， et al. How effective were mangroves as a defense against the recent tsunami[J]. Current Biology， 2005， 15（12）： R443-R447.

[7]拾兵，王川源，尹则高，吴航.淹没植物对河道糙率的影响[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2009，39（02）：295-298+340.

[8]何飞，陈杰，蒋昌波，赵静.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），2017，32（06）：770-778.