我国沿海生态植被消波研究进展

陈 橙，李梓萱

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

我国沿海地区经济发达，城市化水平高，人口密度较大，具有十分重要的地位和作用。但由于其特殊的地理位置，沿海地区却易遭受各类由极端水动力条件引发的自然灾害，如热带气旋引发的强降雨、台风浪、风暴潮等[1]。当灾害来临时，沿海地区人民的生命财产安全会受到严重威胁。由此，海岸工程防灾减灾(特别是沿海消波问题)成为越来越多学者关注的热点。

工程中常见的消波方法主要有两类：防波堤消波及生态植被消波。防波堤消波是通过阻止波浪传播或使波浪破碎以保护后方岸线与建筑物的消波方式，目前对其研究已较为成熟。而生态植被消波方兴未艾，主要方式为补种防波植物，近年来在我国南方部分海岸已开始应用。本文主要综述生态植被消波的研究进展，旨在为今后的相关研究提供借鉴。

1 生态植被消波研究进展

学者们已通过数模或物模的方式对生态植被消波展开研究，并取得了初步的研究成果。当前研究的热点问题可凝练为以下三方面：①植物的刚度问题。由于现实中植物往往是刚性(枝干、根部)和柔性(树叶)相结合，因此在研究中对模型刚度的概化将影响消波研究结果的精确度；②植物的分布问题。由于工程实践中植物的数量将影响到总投资，因此在研究中植物的分布方式将直接关系到工程应用中的投资效益和消波效果；③植物的非均匀性问题。由于现实中滨海植物由多种群构成，因此在研究中考虑它们的非均匀性可提高整体消波效果的精确度。

1.1 消波试验中植物的刚度问题

目前，植物消波试验研究的相关文献尚未对植物的刚性和柔性进行明确界定。在以往的研究中，海草类等草本植物通常被视作柔性植物；而红树林等具有根、茎、叶结构的木本植物常被视作刚性植物。在木本植物的消波试验中，研究者常用竹棍、木棒、有机玻璃管等材料进行概化模拟，从而导致树冠部分的柔性难以准确地进行概化处理。

图1 试验中的植物概化模型

根据消波植物特性不同，学者们采用刚性或柔性植被模型分别进行研究。在物理模型试验方面，何飞等[2]综合考虑刚性植物的根、茎、叶的影响，对刚性植物透射系数的影响因子进行无量纲参数变换，研究了不同密度条件下刚性植物群的消波能力。为进一步探寻植物带各部分波高衰减规律，何飞等[3]对Dalrymple波浪传播模型[4]和Kobayashi波浪传播模型[5]进行分析，试验表明叶的存在加强了植物的消波效果和植物边界效应，且植物的综合消波效果并非由植物的各个组成部分单纯线性叠加而成。曾思益等[6]用有机玻璃管对刚性植物进行概化处理(图1(a))，试验表明在一定淹没度、入射波高条件下，沿水流方向的波高衰减强度的敏感度逐渐降低。Tan等[7]对4种不同刚度的概化植物模型进行试验(图1(b))，探究二次波峰、紊流强度、波能耗散等变化，认为刚度越大，湍流强度越大，能量耗散愈加明显。邓伟等[8]在规则波条件下，用人工柔性植物模拟滩地柔性植物，认为柔性植物对长周期波浪的消减效果较好。Wang等[9]通过将数值模拟和物理模型试验相结合，将植物概化为刚性圆柱体，并基于IHFOAM求解器建立三维数值模型，得出波浪非线性对波浪衰减起至关重要作用的结论。不仅如此，Yin等[10]还指出随着速度比的增加，阻尼因子比均遵循指数增长趋势，但波流反向情况的增长速率远远大于波流同向情况。Zhao等[11]将物理模型试验和数值模拟相结合，研究表明刚性植物引起的后方水流和逆向水流均可增强或抑制由植被引起的波浪衰减。

在前人研究的基础上，吉红香等[12]设计出由刚性树干和柔性枝叶的组合模型树，并研究不同植物情况下对规则波的消波效果。结果表明，植物整体主要依靠表面糙率、绕流、干-流相互作用对波浪进行消减，但刚性树干的消波效果不及柔性枝叶。何飞等[13]利用PVC管模拟植物树干，用聚乙烯材料模拟树冠，用塑料球架模拟植物根部，得出根部的消波效果弱于冠部的结论。谭超等[14]通过改变植物杆群的刚度，提出刚性植物杆群内的波峰流速比柔性植物杆群内大；柔性植物杆群内，每个流速周期内均存在双峰结构。

综上所述，目前在生态植被消波试验的相关文献中，对植物的刚度尚未有明确定义。今后的研究可设置更大的植物刚度变化范围，为植物刚性和柔性的划分提供界定依据。

1.2 消波试验中植物的分布问题

图2 消波试验中植物的不同分布方式

在生态植被消波试验中，学者们对植物的分布方式也有一定的研究。陈杰等[15]设计了6种刚性植物分布方式(图2(a))，认为分布密度相同时，三角形分布消波效果优于其他分布形式；陈橙等[16]在海啸波冲击红树林模型的试验中，亦得出三角形交错分布最优的结论。张明亮等[17]改变刚性植物的高度、纵向分布方式，模拟自然条件下刚性植物的淹没和非淹没2种状态，使研究结果与实际更加符合。彭浩等[18]基于Nepf[19]对植物带交错分布排列结构的定义，对比分析了矩形、交错、组合3种刚性植物分布条件下的消波效果(图2(b))。彭浩等[20]研究了单株刚性植物和簇状刚性植物在规则波和不规则波条件下的消波效果，认为对于单株-矩形分布植物带，密度相同时增加相邻植物间沿流向的距离可使消波效果增强；对于单株-交错分布植物带，植物拖曳力系数随植物淹没度和植物间距的增大而增大；对于簇状植物带，适当增加植物因素及减小透射系数影响因素，消波效果增强(植物分布如图2(c)所示)。Tang等[21]基于二阶完全非线性Boussinesq方程，建立二维数值模拟水槽，探究植物带宽度变化对波浪爬升的影响，认为在植被区域长度不变的情况下，随着波浪周期增加，波高衰减率总体呈现上升趋势。

有别于对单种植物进行研究，张茂章等[22]从林相结构角度出发，对乔木、灌木、草本的复合结构进行研究(图3)，结果表明：在高水位情况下，单一乔木林消波效果最好；在中低水位情况下，复合林相消波效果好。因此，在工程实践中应因地制宜地搭配适合的植物种类，组成单一林相或复合林相的防浪林，从而达到预期的消波效果。

图3 生态消波研究中不同林相复合结构示意图

目前，不同林相组合的研究较为新颖，也更接近于海岸植物多样化的实际情况。今后可在单一植被消波研究的基础上，将适应当地生存环境的多种植物进行林相组合，以期在实际工程中推广应用。此举不仅能提高消波效果，还能为恢复海岸带生态多样性提供助力。

1.3 消波试验中植物的非均匀性问题

除了上述问题，也有学者考虑植物密度分布的非均匀性问题。蒋昌波等[23]在植物区设置了4种不同密度线性变化的方式，认为植物区的非均匀性对孤立波的消减作用较小，波高和流速沿程衰减曲线皆呈现出类“0”字形或类“8”字形。由此可推断，在波浪传播的路径上调整植物分布密度，可对消波效果进行优化。Li等[24]改变波浪条件和植物密度，认为茎密度越大，波高衰减越明显，且该特性在规则波条件下最为明显。考虑到海岸植被呈斑块状分布的实际情况，Zhao等[25]设定6种不同植物密度分析斜坡上孤立波爬高的衰减过程，得出植物内部均匀分布比非均匀分布具有更强消波效果的结论。Chen等[26]对植物冠层中的垂直密度变化进行研究，提出植物场内部的湍流主要是由于植物顶部冠层的剪切作用和植物主干后部的尾流共同产生的；在纯波条件下，平均波速和最大波速均出现在冠层顶部附近。

2 不同波浪情况下的植被消波研究

在生态植被消波研究中，实验室及数值模拟所使用的波浪分类方式有所不同：规则波和不规则波、线性波和非线性波、孤立波(模拟深水海啸波)和破碎波(模拟上岸海啸波)等。表1将生态植被消波研究依据植物刚度进行分类，列出了实验室及数值模拟中所使用的波浪类型。

从表1可知，有关规则波和不规则波研究较多，但对孤立波(如深海中的海啸)、破碎波(如浅水区或上岸后的波流)的研究较少。实际上，沿海地区地形复杂、潮位和水深多变，波浪的浅水变形和破碎情况具有多样性和当地的局限性，由此植物的消波能力也会受到上述因素的影响。

表1 依据植物刚度进行分类的波浪种类

针对波流结合情况，Wang等[37]观察了海三棱草植被区域的水流形态，认为在单一水流条件下，植物的存在会抑制水深10 cm以下区域的湍流，同时加强该深度以上、植物冠层以下区域的平均湍流强度；存在波浪的情况下，植物能吸收由波浪引起的湍流。Zhao等[38]认为在孤立波与水流同向情况下，正向水流对波流阻尼系数影响较大，并且会导致较大的波能量衰减率。Zhang等[39]基于有限体积Roe方法提出了海啸波传播的水动力模型，表明增大植被宽度和植被密度可以提升海啸波的波高衰减率，同时也会影响海啸波到达高地的时间。Li等[40]采用3D RANS模型研究在植被场中规则波、不规则波和随机波的传播情况，阐明在植被区域波浪能量耗散导致波浪振幅和速度减小，并通过黏性阻尼传递给上游区域。Zhan等[41]基于Navier-Stokes方程、RNG湍流模型和VOF方法，建立部分区域带有植被的三维数值模型，研究单向和多向不规则波在该区域上的传播情况，模拟结果与Vincent等[42]的试验数据吻合度较高，并揭示了在多向不规则波条件下植被区域对波浪的阻挡效应机制。

对于波浪爬升斜坡的情况，Yin等[43]基于RANS的三维数值模型，对带有植被的斜坡进行波浪爬升试验和数值模拟计算。结果显示，当波浪在斜坡上爬升时，会表现出非线性并出现浅滩效应，并指出植物消减效果与波长、斜坡坡度、水平距离相关。姚宇等[44]研究孤立波沿斜坡的爬升情况，基于改进的Boussinesq方程得到植被的拖曳力系数，明确了当入射波高和岸滩坡度不变时，植被密度越大，波浪爬高越小。Tang等[45]提出适用于沿海缓坡区域的波浪折射-衍射模型，阐明在刚性植物淹没区域，植物直径、密度越大，随着波浪传播距离的增加，波高非线性减小。Cao等[46]基于Cao等[47-48]的数据与分析，通过数值模拟研究波浪破碎、底摩擦、植被引起波浪耗散等因素与波浪沿斜坡爬升之间的关系，发现有植被覆盖时，波浪耗散明显，而无植被时，波浪只在高水位情况才表现出轻微耗散。Gong等[49]针对3种不同形式植物模型，利用GP、ANNs和MNLR进行分析，指出与植被场的相对宽度和相对高度相比，增加植被场的固体体积分数可以更有效地衰减波高。以上均是波浪应用于植被场中的研究，而Yin等[50]还将研究对象从植被场聚焦于单株植被，并用XBeach模型对柔性植被消波进行数值计算，阐释了柔性植物的弹性模量对消波效果的影响表征。

在消波研究中，一些学者还将植被与结构物相结合以探究其消波特性。Chen等[51]对漂浮的植被平台进行数值模拟研究，指出最大流速位于植物冠层底部与平台上层间。基于此，Wang等[52]提出带植被平台的浮式防波堤，并构建数模水槽探究其与孤立波间的相互作用，指出波浪通过植被平台分层后可视为不稳定单向流，并提出简单浮台和植被浮台的波浪反射系数经验公式。

综上，对于不同波浪作用下植被消波的相关研究，一方面需进一步探索波浪与植被相互作用的内在机理，另一方面还可将植被与传统消波结构相结合，以探究其消波效果的优越性。

3 防波堤与生态植被消波的对比

无论是防波堤还是生态植，均能在一定程度上抵御或消减海岸极端水动力(如台风浪、风暴潮、海啸等)的作用。防波堤与生态植被在海岸条件、消波机制、生态效益、后期维护等方面均有所差异。

在海岸条件方面，传统防波堤适用的海岸条件范围较广。防波堤在采取适当的工程措施后，其建设地点不受气候、土壤、水动力等因素的制约。而生态植被消波的主体是植株，其所生长的海岸区域受到气候、土壤、水动力条件等严格的约束。例如，有“海岸卫士”之称的红树林仅可分布在我国浙江省以南的沿海地区，且植株种类由北向南逐渐丰富。在海岸带地区种植红树林需位于潮间带，且需有陆地淡水径流汇入。此外，植株幼苗若受大浪频繁侵袭则不易成活。因此，生态植被消波对海岸条件的需求较为苛刻，学者们在进行生态植被消波研究时需考虑当地海岸特点。

在消波机制上，传统防波堤可认为是硬性消波，防波堤建成之后对波浪的消减作用立竿见影。而对于生态植被消波，可认为是软性消波。生态植被幼苗在种植后需足够的生长周期，故种植初期的消波效果不佳。我国沿海多为短周期波，硬性消波消减短周期波效果较好。而我国援建港口的“一带一路”沿线国家多为中长周期波，此时软性消波机制将更有利于中长周期波的消减[8]。

在生态效益上，植被消波对海岸的环境友好度高。在工程实施后，可提升海岸带景观，完善生态系统，丰富海岸带生物的多样性。从该角度考虑，则生态植被消波与我国“十四五规划”相契合，更有可能成为未来新的发展方向。

在后期维护方面，属于硬性消波的防波堤在遭受极端水动力条件后需要定期修复和维护，否则消波效果将有所降低；而属于软性消波的植被会随着植株种群和范围的扩大而逐渐提升消波效果，且遭受极端水动力条件后基本能做到自我修复，不需频繁维护。

综合防波堤和生态植被二者来看，今后的研究可尝试将硬性消波与软性消波相结合，发展“生态堤”等新型消波形式。

4 结 语

海岸防灾减灾(特别是消波问题)是海岸工程中的重要课题。本文从消波的效果、方法、机理等方面对我国沿海地区生态植被消波的研究现状进行了总结。首先，分析了消波植被研究中的刚度问题、分布问题、非均匀性问题。进而，综述了不同波浪情况下的生态植被消波研究方法。最后，将防波堤消波与生态植被消波进行对比，分析二者在海岸条件、消波机制、生态效益、后期维护等方面的异同，为今后的生态植被消波研究提供一定的思路。