浮式植物體消浪效果的試驗(yàn)研究

浮式植物體消浪效果的試驗(yàn)研究

趙東梁1,韓梅2,喻國(guó)良1

(1. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海200240; 2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京100012)

摘要：通過(guò)大量水槽試驗(yàn),研究植物消浪裝置消浪效率與植物密度、植物帶相對(duì)寬度、波陡之間的關(guān)系,分析植物高度大于波高的前提下影響浮式植物規(guī)則波作用下消浪效率的因素。結(jié)果表明,浮式植物消浪裝置具有良好的消浪效果,在植物帶高度大于波高的前提下,植物帶密度和相對(duì)寬度是影響消浪效果的最重要因素。

關(guān)鍵詞：浮式植物帶;消浪效率;規(guī)則波;防波堤

基金項(xiàng)目:國(guó)家水體污染控制與治理重大科技專(zhuān)項(xiàng)(GUO100007)

作者簡(jiǎn)介:趙東梁(1987─),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楦劭诤０豆こ?。E-mail: zhao_dongliang@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TV139.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2015)05-0053-05

Abstract：By studying the connection among the efficiency of the floating vegetation wave dissipater device,the density and region width of vegetation and gradient of the wave with sufficient flume experiments,the effectiveness of floating vegetation on wave dissipation was studied and the factors that influence the efficiency of wave dissipation,under the condition of the height of vegetation being higher than the wave height and under the effect of floating vegetation regular wave,were analyzed. The results show that floating vegetation wave dissipater device works efficiently. Under the condition of the height of vegetation being higher than the wave height,the density and the relative width of the vegetation region are the most important factors that influence the wave dissipation efficiency.

收稿日期：(2014-11-08編輯：彭桃英)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.05.011

Experimental study on effectiveness of floating vegetation on wave dissipater

ZHAO Dongliang1,HAN Mei2,YU Guoliang1

(1.SchoolofNavalArchitecture,Ocean&CivilEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,

Shanghai200240,China;

2.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

Key words： floating vegetation region; wave dissipation efficiency; regular wave; breakwater

波浪是擾動(dòng)底泥,增加水體濁度,直接降低水體水質(zhì)的根源,也是造成岸線、灘涂侵蝕的一個(gè)主要?jiǎng)恿σ蛩?近岸破碎波浪掀沙往往危及堤岸安全。波浪還是近岸帶和湖濱帶水生植物的破壞因子,大波浪不但使水生植物無(wú)法根植,而且可直接損毀已有水生植物。因此,有必要減少波浪作用,以保護(hù)湖泊水質(zhì)、岸線、海濱和湖濱水生帶。

工程上常用的消浪方法有實(shí)體壩(堤)消浪、透空壩(堤、樁)消浪、植物消浪。在植物消浪方面,國(guó)內(nèi)外就剛性植物和柔性植物兩方面開(kāi)展了不少研究,這仍然是一個(gè)熱點(diǎn)課題。文獻(xiàn)[1]提出了一種植被地區(qū)波浪計(jì)算模型,包括對(duì)不同水深下植被地區(qū)的消波和波浪破碎的計(jì)算。M?ller[2]針對(duì)英國(guó)東海岸濕地植物發(fā)展了一種通過(guò)數(shù)字照相技術(shù)評(píng)估植物密度的方法,進(jìn)而調(diào)查了大片濕地植物對(duì)孤立波波高的削減作用。Augustin等[3]利用水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了挺水和非挺水濕地植物的消浪作用。Charlotta等[4]對(duì)淺水湖泊中蘆葦?shù)南ㄐЧM(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模型試驗(yàn)。Kassi等[5]利用天然海濱濕地觀測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估剛性植物消浪模型和植物波浪耦合運(yùn)動(dòng)模型時(shí),發(fā)現(xiàn)柔性植物的消浪效果是剛性植物的一半;模型必須選擇合適的拖曳力系數(shù)。Paul等[6]結(jié)合生物特性和潮汐流影響,探討了潛水植物的消波效果,發(fā)現(xiàn)波浪衰減與海草植物葉片剛度、密度、長(zhǎng)度密切相關(guān)。Jadhav等[7]研究了臺(tái)風(fēng)期間海濱濕地削減波高的發(fā)布概率。Akgul等[8]探討了挺水植被的波浪衰減和波動(dòng)力的影響。Hu等[9]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了波流同時(shí)存在情況下的植物消浪問(wèn)題。Philip等[10]通過(guò)水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了非均勻植物波高的削減規(guī)律。在國(guó)內(nèi),早在1965年,南京水利科學(xué)研究院的章家昌[11]在室內(nèi)模擬平臺(tái)上和野外平緩的灘地上種植防波林,考慮了林木主干和林木枝葉的消波作用,以及林木枝葉沿樹(shù)干分布,提出了計(jì)算林木的消波性能公式。顏學(xué)恭等[12]對(duì)長(zhǎng)江中下游防浪林不同類(lèi)型林帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了原型的消浪效果觀測(cè)試驗(yàn),根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),防浪林排數(shù)在6～9排可消浪33%～38%,10～15排可消浪49%～57.6%,20～25排可消浪64%～71%,消浪效果顯著。胡嵋等[13]對(duì)在岸坡上種植檜柏樹(shù)進(jìn)行了模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)防浪林的寬窄影響防浪護(hù)岸效果,并認(rèn)為斜坡消浪效果好于平坡消浪。1989年宋連清等[14-15]在浙江南部沿海生物促淤海岸防護(hù)研究中,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn),護(hù)花米草因其植株高大、桿莖粗壯、生長(zhǎng)密集而具有良好的消浪護(hù)岸作用,當(dāng)風(fēng)浪通過(guò)草帶寬度為10～40m時(shí),消浪能力為45%;40m以上寬草帶,消浪能力為 67%;60m以上寬草帶,消浪能力為78%;200m以上草帶寬可消減臺(tái)風(fēng)浪高達(dá)89%。陳德春等[16]探討了人工水草緩流的消波作用。楊建明[17]對(duì)護(hù)岸植物消浪效果進(jìn)行的試驗(yàn)表明:植物帶的寬度越大,消浪效果越好;水淹植物越深(不及植物頂),消浪效果越明顯;當(dāng)波浪周期達(dá)到某一值時(shí),植物搖擺和波浪趨于同步,此時(shí)消浪作用幾乎消失。

筆者認(rèn)為,隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境和生態(tài)景觀的日益重視,為實(shí)現(xiàn)工程價(jià)值與環(huán)境景觀的效益最大化,宜將消浪技術(shù)與生態(tài)景觀有機(jī)結(jié)合。本文擬對(duì)浮式植物消浪裝置的消浪效果展開(kāi)試驗(yàn)研究。

1試驗(yàn)介紹

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在上海交通大學(xué)多功能水槽內(nèi)進(jìn)行,水槽長(zhǎng)12m,寬1m,深0.8m,造波周期范圍0.5～5s,兩端有良好的消波設(shè)施。浮式植物消浪裝置如圖1所示,植物種植在由高分子材料制成的矩形植物生長(zhǎng)框內(nèi),生長(zhǎng)框高7.5cm，長(zhǎng)98cm。生長(zhǎng)框兩側(cè)浮筒為兩端封閉的PVC管,為生長(zhǎng)框提供漂浮力。試驗(yàn)中選用高22cm、頭徑為6.046cm的圓葉聚乙烯剛性植物,在試驗(yàn)條件下植物不倒伏,且高出生長(zhǎng)框上沿8.5cm,確保入射波高小于植物高度。根據(jù)消波裝置尺寸,試驗(yàn)水深范圍取30～52.5cm,入射波高范圍0.45～0.85cm。

圖1　試驗(yàn)中漂浮式植物消浪裝置

試驗(yàn)的整體布置如圖2所示,植物生長(zhǎng)框浮于水面,生長(zhǎng)框迎浪側(cè)和背浪測(cè)分別對(duì)稱(chēng)布置兩根錨繩,錨繩中部懸掛重物,底端固定于底床;在錨繩中部適當(dāng)增加重量以保持裝置在波浪作用下的穩(wěn)定性;適當(dāng)增加生長(zhǎng)框內(nèi)碎石重量,使生長(zhǎng)框在靜水條件下其上緣與水面齊平。漂浮式植物消浪裝置距離造波機(jī)5m,在波浪作用下在水槽中做二維運(yùn)動(dòng)。裝置前后1.5m處各布置兩個(gè)浪高儀,用于記錄波面變化。浪高儀1號(hào)、2號(hào)的間距與浪高儀3號(hào)、4號(hào)的間距均為0.25m,測(cè)量數(shù)據(jù)采用Goda兩點(diǎn)法[18]分離反射波高和透射波高,進(jìn)而求得反射系數(shù)及透射系數(shù),據(jù)此分析消浪效率。試驗(yàn)開(kāi)始前,對(duì)所用量測(cè)儀器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn),以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2　試驗(yàn)整體布置

1.2試驗(yàn)工況

試驗(yàn)中,水深0.35m,分別針對(duì)兩種入射波高,4種周期(0.881s、0.784s、0.693s、0.640s)的規(guī)則波,5種不同植物生長(zhǎng)框?qū)挾?9種不同植物密度開(kāi)展了試驗(yàn),試驗(yàn)共計(jì)360組,試驗(yàn)工況匯總見(jiàn)表1。波高采集采用SDA100傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),采樣間隔為0.01s,每次采樣時(shí)間取120s,每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

表1　試驗(yàn)工況匯總

2消浪效率試驗(yàn)結(jié)果分析

影響植物生長(zhǎng)框消浪效果的因素有:植物剛度、植物密度、植物莖葉情況、植物生長(zhǎng)框?qū)挾取⑷肷洳ǜ?、植物生長(zhǎng)框入水深度及挺水高度、植物根須入水情況等。植物的消浪情形非常復(fù)雜,為簡(jiǎn)化起見(jiàn),模擬植物挺水高度均大于越浪高度,挺水部分莖葉分布均勻,植物生長(zhǎng)框挺水高度為0,模擬植物在消浪過(guò)程中基本沒(méi)有發(fā)生倒伏,植物生長(zhǎng)框入水深度、植物根須入水情況保持不變,且入水深度所占水深的比例小于1/7。為了反映裝置的消浪效果,本文將消浪裝置對(duì)波高的削減程度定義為消浪效率,則生長(zhǎng)框消浪效率β與各影響因素之間的關(guān)系可以表示為

(1)

式中:β為裝置的消浪效率(從0到1的無(wú)量綱數(shù));Ct為透射系數(shù);Ht為消浪裝置后透射波高;Hi為消浪裝置前入射波高;ρ為植物密度;B為裝置寬度;L為波長(zhǎng);H為波高。

為便于無(wú)量綱化和簡(jiǎn)化測(cè)量與計(jì)算,定義植物密度ρ為植物頭徑面積之和與植物生長(zhǎng)框底板面積的比值,即

(2)

式中：D為單棵植物的頭徑；N為矩形框內(nèi)植物棵數(shù)；s為植物生長(zhǎng)框底板面積。

將式(1)函數(shù)中的變量表示為無(wú)量綱形式:

(3)

下面將著重從植物密度、消浪裝置的相對(duì)寬度B/L、波陡H/L這3方面討論該裝置的消浪效果。

2.1植物密度對(duì)消浪效率的影響

如圖3所示,在水深0.35m,波高為0.08m、0.06m,入射波周期T為0.881s、0.784s、0.693s、0.640s和植物生長(zhǎng)框?qū)挾葹?.35m的情況下,消波效率都是隨植物密度的增大而增大,當(dāng)植物密度大于1.6時(shí),消浪效率增大的趨勢(shì)逐漸變緩,最后趨于一個(gè)常數(shù)。這說(shuō)明,當(dāng)植物密度大到一定程度之后,裝置的消波效果進(jìn)一步提升的空間小,即,繼續(xù)增加植物密度對(duì)改善裝置的消波效果影響不大。本組試驗(yàn)表明,無(wú)論入射波高為0.08m還是0.06m,都是在入射波周期為0.693s、植物密度接近2.0時(shí)消浪效果最好,消浪效率大約為66%。

圖3　消浪效率β與植物密度ρ的關(guān)系

2.2相對(duì)寬度對(duì)消波效率的影響

圖4　消浪效率β與相對(duì)寬度B/L的關(guān)系

如圖4所示,在水深0.35m,波高0.08m,入射波周期為0.881s、0.640s,植物生長(zhǎng)框?qū)挾确謩e為0.45m、0.35m、0.25m、0.20m、0.15m的情況下,消浪效率總是隨相對(duì)寬度的增大而增大,當(dāng)相對(duì)寬度增大到某一值時(shí),消浪效率將達(dá)到某一平衡值,說(shuō)明對(duì)于此時(shí)的相對(duì)寬度,裝置的消浪效果趨于最佳。圖4(a)中消浪效率在相對(duì)寬度大于0.33時(shí)達(dá)到穩(wěn)定,圖4(b)中消浪效率在相對(duì)寬度大于0.38時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。在消浪效率達(dá)到穩(wěn)定之后,消浪效率隨植物密度的增加而增大,這與圖3反映的變化關(guān)系相符合。值得注意的是,當(dāng)周期不同時(shí),消浪效率趨于穩(wěn)定時(shí)的臨界點(diǎn)不同;同一入射波周期下,植物密度不相同,消浪效率趨于穩(wěn)定時(shí)的臨界點(diǎn)也會(huì)不同。正因?yàn)槿绱?圖4(a)中4條曲線出現(xiàn)交叉。結(jié)合其他組次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對(duì)寬度大于0.4時(shí),消浪效果均趨向于穩(wěn)定。此外,從圖3的兩幅圖也可以看出,消浪效率并不與入射波周期呈反比關(guān)系。入射波周期為0.640s的消浪效率小于周期為0.693s時(shí)的消浪效率。這說(shuō)明植物生長(zhǎng)框的消浪作用在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)效果最佳,消浪裝置的最佳效果取決于波浪的某一特定周期。這點(diǎn)與楊建明[17]的結(jié)論類(lèi)似。

2.3入射波波高對(duì)消浪效率的影響

如圖5所示,在水深0.35m,入射波周期為0.881s、0.640s,植物密度為2.01、0.804,入射波波高分別為0.08m、0.06m的情況下,無(wú)論入射波周期為0.881s還是0.640s,在同一植物密度下,波高為0.08m時(shí)的消浪效率均大于波高為0.06m時(shí)的消浪效率,入射波高越大,消浪效果越明顯。這可能是植物下部莖多葉少的原因。當(dāng)然,前提是挺水植物的高度必須大于波浪高度。

圖5　消浪效率β與波高H的關(guān)系

2.4消浪效率公式

通過(guò)以上對(duì)消浪效率與其影響因素關(guān)系的分析,從360個(gè)試驗(yàn)工況中選取160個(gè),對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)做回歸分析,得到透射系數(shù)的無(wú)量綱公式為

(4)

則消浪效率公式為

(5)

從圖6可知,試驗(yàn)實(shí)測(cè)的消浪效率值與由公式(5)得到的計(jì)算值基本吻合,實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的相關(guān)系數(shù)為0.87,96%的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的誤差在20%以?xún)?nèi)。公式及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,足夠的植物密度和植物寬度前提下,該消浪裝置可以削減來(lái)波的波高達(dá)65%。

圖6　消浪效率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較

該消浪裝置的消浪效果與顏學(xué)恭等[12]介紹的長(zhǎng)江中下游不同結(jié)構(gòu)防浪林的消浪效果相當(dāng),但略低于浙江南部沿海的生物促淤海岸防護(hù)工程中護(hù)花米草的消浪效果。導(dǎo)致消浪效果偏低的原因,可能在于植物生長(zhǎng)框在水面上水平方向的固定欠佳,植物生長(zhǎng)框的前后運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了次生波的出現(xiàn),以及植物后方產(chǎn)生的尾渦相對(duì)于固定在床面上的剛性植物而言要小,因此,其消浪效率相對(duì)偏低。但與M?ller[2]的野外調(diào)查結(jié)果相比,該裝置的削減來(lái)波效率比英國(guó)東海岸濕地植物的消浪效率高,后者最大約35%。英國(guó)東海岸鹽沼植物為草類(lèi),在波浪作用下的剛度小,能夠隨波逐流,因此,其消浪效率低于剛性植物。

值得指出的是,式(5)存在一些局限性,如對(duì)植物莖葉分布、框體和植物根入水的相對(duì)深度、植物剛度等因素沒(méi)有作進(jìn)一步考慮。同時(shí),本次試驗(yàn)中相對(duì)植物寬度的范圍為0.143～0.692m,波陡的范圍為0.057～0.123,因此,植物寬度及波高的試驗(yàn)組次也應(yīng)增加。植物生長(zhǎng)框的水平固定、錨繩的受力等有待深入開(kāi)展研究。

3結(jié)語(yǔ)

基于波浪水槽試驗(yàn),對(duì)浮式植物消浪裝置的消浪效果展開(kāi)了研究。結(jié)果表明,該浮式植物消浪裝置具有良好的消浪效果,在足夠的植物密度和裝置寬度情況下,消浪效率接近65%。在受規(guī)則波作用下,消浪裝置的植物密度和植物生長(zhǎng)框相對(duì)寬度是影響消浪效果的主要因素。在本試驗(yàn)條件下,植物密度越大,消浪效果越好,當(dāng)植物密度超過(guò)1.6時(shí),消浪效果趨于穩(wěn)定;相對(duì)寬度越大,消浪效果越好,當(dāng)相對(duì)寬度大于0.4時(shí),消浪效果趨向于穩(wěn)定。本研究成果可為我國(guó)湖泊和海岸的消浪工程設(shè)計(jì)提供參考。

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