不同林相結(jié)構(gòu)防浪林的消波性能計(jì)算

張茂章，宋正明

(安徽省懷洪新河河道管理局，安徽蚌埠 233000)

不同林相結(jié)構(gòu)防浪林的消波性能計(jì)算

張茂章，宋正明

(安徽省懷洪新河河道管理局，安徽蚌埠 233000)

為確定適用于淮河流域防浪林的林相結(jié)構(gòu)，以已栽植的5種不同林相結(jié)構(gòu)的防浪林為研究對(duì)象，分別選擇南京水利科學(xué)研究院章家昌的消波性能經(jīng)驗(yàn)公式和河海大學(xué)傅宗甫的柔性植物波高傳遞率公式作為喬木和灌木的消波計(jì)算公式，對(duì)5種不同林相結(jié)構(gòu)防浪林的消波性能進(jìn)行定量計(jì)算和理論分析。指出在淮河流域應(yīng)因地制宜地選擇防護(hù)林結(jié)構(gòu):在洪水起漲速率不快但高水位維持時(shí)間長的河道，宜選擇單一喬木林相結(jié)構(gòu);在洪水期較長、單位時(shí)間水位漲幅緩慢、堤防整體抗沖能力薄弱的河道，宜選擇復(fù)合林相的防浪林結(jié)構(gòu)。

防浪林;林相結(jié)構(gòu);消波性能;淮河流域

按照相關(guān)法律法規(guī)和水利工程技術(shù)規(guī)范的要求，河道堤防兩側(cè)根據(jù)河道規(guī)模和防洪任務(wù)的不同，劃定和征用了不同標(biāo)準(zhǔn)的護(hù)堤地。對(duì)于這部分土地資源，人們廣泛采用植樹種草的形式作為生物保護(hù)河道堤防的重要措施，但長期以來植樹種草一直停留在粗放的管理階段。在過去的幾十年里，章家昌［1］、楊建民等［2-3］、傅宗甫［4］、黃本勝等［5-6］分別對(duì)植物消浪護(hù)坡進(jìn)行了理論研究，并各自提出了相應(yīng)的消波計(jì)算公式。張喬民［7］、顏學(xué)恭等［8］也進(jìn)行過防浪林的消能效益計(jì)算，但都只是對(duì)單一的防浪林或柔性植物進(jìn)行消波性能的分析，很少對(duì)喬木、灌木、草本的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合研究。

20世紀(jì)80年代中期，很多河道管理單位開始選擇一些速生、耐濕、商品性強(qiáng)的單一樹種(以歐美楊為主)進(jìn)行防浪林的建設(shè)，雖然獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，但其防浪功能大幅度削弱，特別是對(duì)那些沒有塊石護(hù)坡的堤防影響更大。總體來看，我國防浪林設(shè)計(jì)樹種單一，林相簡單，林木撫育管理粗放，持續(xù)性效益不夠顯著，消波性能提升的空間較大。為了使防浪林既具有較好的防浪性能，又能充分利用土地資源，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，在1991年淮河大水后，河道管理單位根據(jù)淮河的洪水特性和氣候特征，按照河道特征基本一致的條件，在淮河淮北大堤渦齊段和新集段栽植了5種不同林相結(jié)構(gòu)的防浪林進(jìn)行觀察和理論研究。由于充分考慮了適地適樹的原則，各種林帶都長勢良好。本文重點(diǎn)對(duì)它們的消波性能進(jìn)行定量計(jì)算和理論分析，以確定淮河流域防浪林的林相結(jié)構(gòu)。

1 林相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林相也稱森林的外形，一般指林冠的層次，有單層林和復(fù)層林之分。本文林相結(jié)構(gòu)指的是喬木、灌木、草本的不同空間層次組合形式。

1.1 物種選擇

遵循耐淹防浪、適地適樹、速生優(yōu)質(zhì)、綜合高效、撫育簡單的原則，選擇堤防生物種植的物種?；春恿饔蛩x生物品種主要為喬木(柳樹、歐美楊)和灌木(杞柳、蘆竹、蘆葦)。

1.2 林相結(jié)構(gòu)

a.單一喬木層立體結(jié)構(gòu)(圖1)。在淮河淮北大堤渦齊段距堤腳3m以外，按株行距3m×3m栽植10排柳樹，林帶寬27 m，林下為裸地。喬木冠頂與堤頂高程大體一致，冠層中部與保證水位大體持平。近地面樹枝不再整修，任其生長，以增進(jìn)防浪效果。

圖1 單一喬木層立體結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

b.樹條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖2)。在淮河淮北大堤渦齊段按株行距3 m×3 m栽植8排柳樹，林帶寬21 m;喬木下層株行間栽植21 m杞柳，其內(nèi)緣至堤腳方向栽植7 m寬杞柳，并留2 m通道。

圖2 樹條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

c.樹條立體結(jié)構(gòu)(圖3)。在淮河淮北大堤渦齊段按株行距3 m×3 m栽植8排柳樹，林帶寬21 m，林下為裸地。從喬木層的內(nèi)緣至堤腳方向栽植7 m寬杞柳，留2 m通道。

圖3 樹條立體結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

d.樹蘆立體結(jié)構(gòu)(圖4)。在淮河淮北大堤新集段按株行距3 m×3 m栽植6排柳樹，林帶寬15 m;林下為裸地。從喬木層的內(nèi)緣至堤腳方向栽植10 m寬蘆竹，高度控制在喬木樹冠中部以內(nèi)。由于蘆竹生長較高，為便于通行，留5 m通道。

e.樹蘆條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖5)。在淮河淮北大堤新集段按株行距3 m×3 m栽植6排柳樹，林帶寬15m;喬木下層株行間栽植杞柳，同樣占寬15 m;內(nèi)緣至堤腳方向栽植13 m寬蘆竹等高大耐淹禾本科植物，并留2 m通道。

圖4 樹蘆立體結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

圖5 樹蘆條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)示意圖(單位:m)

2 消波計(jì)算公式

上述5種林相結(jié)構(gòu)由于物種配置不同，結(jié)構(gòu)各異，防浪效果也不相同。群體的防浪作用應(yīng)當(dāng)是林木的主干(樹干)、枝葉(樹冠)、林下植被復(fù)合作用的疊加。本文分別在警戒水位和保證水位兩種工況下計(jì)算分析防浪林對(duì)波浪的削減作用。由于目前植物在河道中消浪能力的計(jì)算邊界條件十分復(fù)雜且研究甚少，國內(nèi)采用的河道平順段(非斜坡)計(jì)算都是以消波系數(shù)表示。通過查閱相關(guān)資料，分別選擇喬木、灌木的消波計(jì)算公式。

2.1 喬木消波計(jì)算公式

南京水利科學(xué)研究院章家昌在實(shí)驗(yàn)室模擬平臺(tái)和平緩的灘地上種植防波林，充分考慮林木主干和枝葉的消波作用，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到防波林林木株行距呈等邊三角形交錯(cuò)排列時(shí)的林木消波性能的經(jīng)驗(yàn)公式［1］:

式中:K為喬木整體的消波系數(shù)，%;K樹冠為喬木樹冠(枝葉部分)的消波系數(shù)，%;K主干為喬木主干的消波系數(shù)，%;α'為喬木枝葉的遮蔽系數(shù);α″為喬木主干的遮蔽系數(shù);B為林帶寬度，m;L為入射波波長，m;R0為喬木主干半徑，m;R為喬木樹冠半徑，m;b為株距，m;H為入射波波高，m;v為風(fēng)速，m/s;D為吹程，一般取河道汛期水面平均寬度，km。

公式(1)的適用范圍為 0≤α'≤1，0.000 6≤α″≤0.0091。

2.2 灌木消波計(jì)算公式

河海大學(xué)傅宗甫［4］對(duì)低水狀態(tài)下水中灌木(柔性植物)的消浪能力進(jìn)行了深入的研究。通過觀察實(shí)驗(yàn)室內(nèi)波浪水槽中互花米草對(duì)人工制浪的影響，得出柔性植物具有很好的消波作用的結(jié)論。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到波高傳遞率Kt與柔性植物栽植寬度B和水深d之比的關(guān)系式，進(jìn)而得到柔性植物的消波系數(shù):

式中:Kt為波高傳遞率。

3 不同林相結(jié)構(gòu)的防浪林消波性能計(jì)算

在5種不同林相結(jié)構(gòu)中(圖1～5)，柳樹取5 a樹齡;喬木主干半徑和樹冠半徑分別取5 cm和150 cm，株距取3 m，淮河渦齊段汛期水面平均寬度取0.94 km;汛期以7級(jí)風(fēng)為標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速取最大經(jīng)驗(yàn)值，v=17.10 m/s［9］。計(jì)算得到式(1)中未知參數(shù) α'=0.91，α″=0.001，H=0.565 m，L=6.59 m。

3.1 單一喬木層消波性能計(jì)算

在淮河淮北大堤渦齊段和五河新集段分別栽植10排、8排、6排柳樹，林帶寬度 B分別為27 m、21 m、15 m，將各參數(shù)取值代入公式(1)計(jì)算得到10排柳樹、8排柳樹、6排柳樹的消波系數(shù)分別為69.75%、63.27%、53.40%，其中喬木主干的消波系數(shù)分別為22.04%、18.59%、13.69%。

3.2 單一灌木層消波性能計(jì)算

3.2.1 警戒水位處消波性能計(jì)算

a.渦齊段警戒水深d=20.10 m－18.00 m=2.10 m，將樹條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖2)、樹條立體結(jié)構(gòu)(圖3)中的灌木帶寬度分別代入式(2)，計(jì)算得到:①圖2中喬木層下方杞柳層 B=21 m，K=1－0.974 821m/2.10m×100%=22.53%;②圖3中杞柳層B=7 m，K=1－0.97487m/2.10m×100%=8.16%。

b.新集段警戒水深d=18.80 m－16.50 m=2.30 m，將樹蘆立體結(jié)構(gòu)(圖4)、樹蘆條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖5)中不同的灌木帶寬度分別代入式(2)，計(jì)算得到:①圖4中蘆竹層B=10 m，K=1－0.974810m/2.30m×100%=10.50%;②圖5中蘆竹層B=13 m，K=1－0.974813m/2.30m×100%=13.43%;③圖5中杞柳層B=15m，K=1－0.974815m/2.30m×100%=15.33%。

3.2.2 保證水位處消波性能計(jì)算

新集段保證水位工況下水深d=20.80 m－16.50 m=4.30 m，將樹蘆立體結(jié)構(gòu)(圖4)、樹蘆條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖5)中不同的灌木帶寬度代入式(2)計(jì)算得到:①圖4中蘆竹層B=10 m，K=1－0.974810m/4.30m×100%=5.76%;②圖5中蘆竹層B=13 m，K=1－0.974813m/4.30m×100%=7.43%。

由于杞柳在保證水位處完全被淹沒，基本無消波作用，故圖5中的杞柳層消波性能忽略不計(jì)。

3.3 立體結(jié)構(gòu)警戒水位處消波性能計(jì)算

單一喬木層立體結(jié)構(gòu)(圖1)、樹條立體結(jié)構(gòu)(圖3)和樹蘆立體結(jié)構(gòu)(圖4)在警戒水位處的消波性能計(jì)算包括兩部分:①喬木主干的消波系數(shù);②衰減后的波浪經(jīng)過灌木的消波系數(shù)。二者經(jīng)過疊加得出綜合消波系數(shù)，即

將圖1、圖3、圖4中的灌木帶寬度代入式(3)分別得到警戒水位處的消波系數(shù):①圖 1中 K綜合=22.04%;②圖3中 K綜合=18.59%+(1－18.59%)×8.16%=25.23%;③圖4中 K綜合=13.69%+(1－13.69%)×10.50%=22.75%。

3.4 復(fù)合立體結(jié)構(gòu)警戒水位處消波性能計(jì)算

樹條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖2)和樹蘆條結(jié)合復(fù)合立體結(jié)構(gòu)(圖5)防浪林在警戒水位處的消波性能包括兩部分內(nèi)容。

a.喬木與灌木共同作用的消波系數(shù)。在喬木與灌木混交的防浪林段，由于水流沖擊能量受到灌木消波后，產(chǎn)生的紊流能量已經(jīng)衰減了一部分。此段樹干所受沖擊的能量有所降低，其消波系數(shù)受到灌木的影響后也有所降低，其值為

式中:Kt1為復(fù)合立體結(jié)構(gòu)中林下灌木的波高傳遞率。

b.波浪經(jīng)過喬灌復(fù)合結(jié)構(gòu)后，能量衰減一部分;再經(jīng)過林后的灌木層帶的阻滯，再次衰減相應(yīng)的比率，得出復(fù)合立體結(jié)構(gòu)防浪林消波系數(shù)的計(jì)算公式為

式中:Kt2為復(fù)合立體結(jié)構(gòu)中林后灌木帶的波高傳遞率。

將圖2、圖5中的灌木帶寬度代入式(4)和式(5)分別計(jì)算得到警戒水位處的消波系數(shù):①圖2中K復(fù)合=18.59% ×0.974 821m/2.10m+22.53% =36.93%;K綜合=36.93%+(1－36.93%)×8.16%=42.08%。②圖 5中 K復(fù)合=13.69% ×0.974 815m/2.30m+15.33%=26.92%;K綜合=26.92%+(1－26.92%)×13.43%=36.73%。

3.5 不同林相結(jié)構(gòu)保證水位處消波性能計(jì)算

所栽植的5種不同林相結(jié)構(gòu)在保證水位處的消波系數(shù)僅與喬木層及蘆竹層有關(guān)，計(jì)算時(shí)圖1～3中的結(jié)構(gòu)均可視為圖1的單一喬木層立體結(jié)構(gòu)，圖4和圖5結(jié)構(gòu)均可視為圖4的樹蘆立體結(jié)構(gòu)。

表1 防浪林5種林相結(jié)構(gòu)消波性能比較

a.圖1～3中的保證水位處消波系數(shù)為單一喬木層的消波作用，即保證水位處消波系數(shù)為喬木整體的消波系數(shù)，故:①圖1中K綜合=69.75%;②圖2、圖3中K綜合=63.27%。

b.圖4、圖5中保證水位處是喬木整體起到消波作用，故式(3)中的喬木主干的消波系數(shù)K主干變成喬木的總消波系數(shù)K;杞柳在保證水位處已被洪水完全淹沒，故只考慮林后蘆竹層對(duì)消波作用的影響，即保證水位處為單一喬木層整體的消波作用和林后蘆竹層共同形成的立體結(jié)構(gòu)的消波作用，故保證水位處的消波系數(shù)為

計(jì)算得到:①圖 4中 K綜合=53.40%+(1－53.40%)×(1－0.974810m/4.30m)=56.08%;②圖5中K綜合=53.40%+(1－53.40%)×(1－0.974 813m/4.30m)=56.86%。

經(jīng)過計(jì)算，得出在寬度均為30 m的灘地上采用5種不同林相結(jié)構(gòu)的防浪林消波性能如表1所示。

4 結(jié)論

a.高水位時(shí)喬木的防浪作用主要來自于樹冠，其防浪能力是主干的2～3倍;具有一定冠幅的喬木在相同占地面積情況下，防浪效果是灌木和草本的10～12倍。在高水位下單一喬木林的防浪作用最好，且與密度、排數(shù)、冠幅、胸徑的大小成正比;配合種植其他灌木和高層耐水草本植物對(duì)提高其防浪能力效果不大。

b.中低水位時(shí)喬木的防浪作用主要來自于主干，林下配置灌木和其他草本植物能顯著增大防浪效益，一般可以提高此水位下喬木林防浪效益1倍以上。但低層柔性植物必須有足夠的種植寬度，以大于喬木林的寬度為宜。

c.根據(jù)防浪林不同林相結(jié)構(gòu)的消波性能計(jì)算結(jié)果，可以因地制宜地確定防浪林結(jié)構(gòu):在洪水起漲速率不快但高水位維持時(shí)間長的河道，宜選擇單一喬木林相結(jié)構(gòu);在洪水期較長、單位時(shí)間水位漲幅緩慢、堤防整體抗沖能力薄弱的河道，宜選擇復(fù)合林相的防浪林結(jié)構(gòu)。

［1］章家昌.防波林的消波性能［J］.水利學(xué)報(bào)，1966，4(2):49-52.(ZHANG Jiachang.Wave absorption performance of wind-wave protection forests［J］.Journnal of Hydraulic Engineering，1966，4(2):49-52.(in Chinese))

［2］楊建明.植物消浪護(hù)岸動(dòng)力機(jī)制理論分析與模型試驗(yàn)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2004.

［3］白玉川，楊建民，胡嵋，等.植物消浪護(hù)岸模型實(shí)驗(yàn)研究［J］.海洋工程，2005，23(3):65-69.(BAI Yuchuan，YANG Jianmin，HU Mei，et al.Model test of vegetation on the bank to attenuate waves and protect embankments［J］.The Ocean Engineering，2005，23(3):65-69.(in Chinese))

［4］傅宗甫.互花米草消浪效果試驗(yàn)研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，1997，17(5):45-47.(FU Zongfu.Experimental study on the effect of dissipating waves about smooth cord-grass［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，1997，17(5):45-47.(in Chinese))

［5］黃本勝，賴冠文，程禹平.海堤外灘地種樹效果及對(duì)行洪影響［J］.人 民 珠 江，1995(3):38-42.(HUANG Bensheng，LAI Guanwen，CHENG Yuping.Effects of wave protection trees growing on flood plains and its influence upon flood carrying capacity［J］.Pearl River，1995(3):38-42.(in Chinese))

［6］吉紅香，黃本勝，邱秀云.植物消波消浪研究綜述［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2005，3(1):75-78.(JI Hongxiang，HUANG Bensheng，QIU Xiuyun.Review on research of wave absorption by vegetation［J］.Hydro-Science and Engineering，2005，3(1):75-78.(in Chinese))

［7］張喬民.紅樹林防浪效益定量計(jì)算初步分析［J］.南海研究與 開 發(fā)，1997，9(3):1-6.(ZHANGQiaomin.Preliminary analysis on the quantitative calculation of mangrove wave benefits［J］.Research and Development of the South China Sea，1997，9(3):1-6.(in Chinese))

［8］顏學(xué)恭，曾祥培，徐德新.長江中游防浪林消能效益分析與研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，30(3):51-53.(YAN Xuegong， ZENG Xiangpei， XU Dexin.Investigation on energy dissipation benefit of wind-wave protection forests in middle reach of Changiiang River［J］.Engineering Journal of Wuhan University，1997，30(3):51-53.(in Chinese))

［9］李楠，李佳.蓄滯洪區(qū)風(fēng)浪要素計(jì)算的探討［J］.水利水電快報(bào)，2002，23(15):28-30.(LI Nan，LI Jia.Discussion on the calculation of wind wave elements about the flood storage and detention area［J］.Express Water Resources ＆Hydropower Information，2002，23(15):28-30.(in Chinese))

Calculation on wave dissipation performance for different wave break forest structures

ZHANG Maozhang，SONG Zhengming(River Course Authority of New Huaihong River of Anhui Province，Bengbu 233000，China)

In order to determine the wave break forest structure suitable for Huaihe River Basin，the author takes five different kinds of wave break forest structures as the study object，and selects the laboratory formula from Zhang Jiachang in Nanjing IWHR and the flexible plant wave height transfer rate formula from Prof.Fu Zongfu in Hohai University as trees and shrubs wave dissipation formula，to calculate and analyze the wave dissipation performance of five different kinds of wave break forest structures in others river basins similar to Huaihe River.The conclusion is that in Huaihe River Basin，for the rivers with low speed of flood rising and long-time high-water level，we should choose the single tree forest type structure.And the composite wave break forest structure is the appropriate forest structure for the river course with long flood period，slow rising rate in unit time，and weak impact resistance embankments.

wave break forest;forest structure;wave dissipation performance;Huaihe River Basin

TV139.2+9

A

1006-7647(2013)06-0040-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.008

張茂章(1979—)，女，安徽蚌埠人，工程師，碩士，主要從事水土保持工作。E-mail:hhxhszk@ahsl.gov.cn

2013-01-07 編輯:駱 超)