限制性航道生态护岸植被消浪数值模拟

王锐，冒刘燕，高志峰，徐宿东，刘佰文，殷锴

（1.江苏省泰州市港航事业发展中心，江苏 泰州 225309；2.东南大学交通学院港航工程系，江苏 南京 211189）

在推进长江经济带发展以及大运河文化带建设的一系列重要批示中，习近平总书记多次强调走生态优先、绿色发展之路。《交通强国建设纲要》明确提出将生态环保理念贯穿交通基础设施规划、建设、运营和养护全过程。因此，随着绿色航道建设的推进，生态护岸越来越广泛地被应用于工程实践，日益成为主要的护岸形式。随着内河船舶向大型化和快速化发展，船行波对岸坡作用日益显著，是破坏内河限制性航道、造成岸坡塌损的主要原因。如何消减船行波以保护岸坡，并使其兼具生态效应，是目前航道建设面临的难题。

近岸水生植物，具有固沙、滞流和部分挑流归槽作用。水生植物的摆动效应、壅水效应、植物枝叶的波能耗散效应等能够有效地减弱流速，对船行波的消减起到积极的作用。本文采用XBeach 波浪模型，以江苏内河高等级航道典型断面为对象，综合考虑船型、水深和航道边坡等因素，进行了航政艇、常见货船和较大货船三种代表船型的船行波数值模拟，并采用经验公式对模拟结果进行了验证。在此基础上，以护岸一级平台宽度4m，种植芦苇密度850kg/m3，常见货船为例研究船行波植被消浪效果。研究成果可为植被生态护岸的建设和维护提供参考。

1 XBeach 波浪模型

XBeach 模型是由UNESCO.IHE 和荷兰Delft 大学等组织联合开发的事件驱动模型，在航道几何形状相对较为复杂的工况下，XBeach 非静压模型能够很好的预测航行船与停泊船的水动力相互作用。

XBeach 使用广义拉格朗日平均方程GLM 作为浅水动量方程，动量方程和连续性方程中拉格朗日速度、欧拉速度和斯托克斯速度的关系如下：

其中，us和vs为斯托克斯漂移在x 和y 方向的分量，计算公式如下：

不考虑科氏力影响的GLM 动量方程表达为：

破浪带的横向涡粘系数与波浪和波面滚动能量耗散有关，其计算公式为：

移动的船舶表现为沿预先设置的轨迹在模型范围中移动的压力。船舶在单独的网格上定义，船舶吃水按网格点指定。在每一个计算时间步长，船舶吃水从船舶网格插值到全局网格，其中船舶的体积保持恒定。然后根据插值后的船舶吃水深度更新每个网格单元的水头。通过压力场的移动，船行波就产生了并进一步在整个网格范围内传播。

2 植被种植前船行波模拟

2.1 航道概况与计算网格划分

以江苏内河高等级航道典型断面为研究对象，概化航道航道长度为200m，水深为5m，航道坡度为1:5，水面宽度为100m，网格数为20000 个，网格模型图见图1。

图1 概化航道网格模型图

船行波对于航道岸坡的影响主要在湿周处，植物主要种植在近岸浅水水域，为充分考虑种植区域内的波高及流速变化情况，在离岸2m、1m 和水陆交接点分别设置了测点1、测点2 和测点3，见图2。考虑航政艇、常见货船以及极端型货船三种船型，船型参数见表1。提取其中的波高、流速和压强数据进行模拟结果的论证分析，见表2。

表1 船型参数 (单位：m)

表2 测点波高流速数据表

图2 坡度及测点位置示意图

2.2 模型参数设置

计算时间步长CFL=0.5，设置加速系数morfac=10对模型进行加速，模型运行时间为15 天，模型使用曼宁系数来表示底部糙率，取值为0.02。考虑多种船型和不同船速，考虑不同船舶的影响，设置模型中的船舶大小均为长65m，宽10m，典型船舶速度统一为3m/s，船舶吃水2m。护岸泥沙粒径D50 设为0.1mm，泥沙孔隙率设为0.5，干密度为2400kg/m3，其他参数值均为模型默认值。

2.3 船行波数值模拟与验证

在离岸4m、2m、1m 和0m 设置模型观测点1，观测点2，观测点3，观测点4，并记录在船行波模拟过程中产生的波高最大值，见表3。

表3 Xbeach 模型计算模拟船行波情况

分析表3 可知，航政艇和货船两类船舶排水体积和航速不同，产生的船行波波列结构不同。前者高频的船行波次波显著，后者历时较长的船行波主波更为显著，体现了船行波波列结构和能量分布的不同特征。两类船舶船行波各部分对近底水流流速和底床剪切应力的贡献不同，前者船行波次波诱导的流速分量和底部剪切应力贡献最大；后者船行波主波的贡献最大。

利用Blaauw 公式、美国陆军工程团公式分别计算航政艇、货船常见型和货船极端型在不同航道参数条件下产生的船行波最大波高值，与模型模拟值进行验证对比，见表4。计算结果表明，XBeach 模型船舶波波高模拟结果与Blaauw 公式、美国陆军工程团公式波高计算结果相近，XBeach 模型构建和参数设置能较好地模拟所研究航道的船行波情况。

表4 船行波经验公式结果验证

3 植被种植后消浪模拟

取护岸一级平台宽度4m，种植芦苇，以货船常见型船舶船行波波高0.4m 为例，模拟植被种植对护岸一级平台船行波的削减影响，植被消浪模拟地形见图3。在Xbeach 模型中设置消浪植被为柔性植被，柔性植被模型的相关的设置见表5。模型计算结果见图4。

图3 植被消浪模拟地形图

图4 波高对比图

由图4 种植柔性植被后波高结果可以得出，柔性植被对船行波的波高削减在0.1m 左右，而且越靠近岸边削减作用越明显，这符合柔性植被消浪效果的客观规律和实际情况。进一步分析可知，种植植被可以对船行波产生约20%的削减作用，存在显著的消浪作用。因此，在4m 宽的一级平台上种植水生植物以减弱船行波对护岸的冲刷侵蚀是可靠有效的护岸维护措施。

4 结论与建议

论文利用Xbeach 模型，以江苏内河高等级航道典型断面为概化航道断面，建立了船行波数值模拟模型和植被消浪模拟模型，形成以下结论：

（1）以航政艇、货船常见型和货船极端型三种船型，模拟了不同船速下的船行波波高，并与经验公式计算的船行波最大波高值进行了验证。

（2）以护岸一级平台宽度4m，货船常见型船舶船行波波高0.4m，种植芦苇密度850kg/m3为例，进行了植被对船舶波消浪模拟。结果表明，植被可以对船行波产生约20%的削减作用，而且越靠近岸边削减作用越明显。

（3）本文仅以护岸一级平台宽度4m，船行波波高0.4m，种植芦苇密度850kg/m3为例进行了模拟，研究成果可为植被生态护岸的建设和维护提供参考，内河高等级航道植被消浪的具体效果尚需更多实例进一步深入分析。