李佳皓 拾兵 倪錦遠(yuǎn)

摘 要：本文借助物理模型試驗(yàn)，研究了船行波與斜坡上種植非淹沒(méi)柔性植物的相互作用。通過(guò)對(duì)不同植物分布密度、不同航速的組合試驗(yàn)，分析了船行波經(jīng)過(guò)植物后的爬高、回落、流速的變化趨勢(shì)。經(jīng)試驗(yàn)資料分析，擬合得到了植物分布密度與船行波爬高與回落的消減關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，可為生態(tài)航道護(hù)岸設(shè)計(jì)提高技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：柔性植物;船行波;消波;試驗(yàn)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：U617.8? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）01-0062-03

1引言

在內(nèi)河航道或狹窄的人工運(yùn)河中航行的船會(huì)形成典型的淺水船行波。船行波會(huì)造成岸坡塌損、航道淤積等一系列不利影響?，F(xiàn)有研究表明，船行波是造成岸坡破壞的最重要的因素。柔性植物的擺動(dòng)效應(yīng)、壅水效應(yīng)、波能耗散效應(yīng)等能夠有效的消減船行波的能量，起到碎波、挑流等作用。

在植物消波領(lǐng)域，學(xué)者們做了大量的研究。姚宇、杜睿超等研究了斜坡上剛性植物對(duì)孤立波的爬高作用[1]。 何飛等研究了不規(guī)則波作用下植物消波特性，得出葉的消波效果明顯強(qiáng)于根部的試驗(yàn)結(jié)論[2]。黃本勝等研究了植物護(hù)岸對(duì)大堤波浪爬高影響，指出在岸灘上種植植物可以有效消減波浪的能量保護(hù)岸坡[3]。吳迪等針對(duì)柔性植物消浪及沿程阻流特性開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，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礎(chǔ)上，在前人試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新試驗(yàn)，充分考慮柔性植物的根、莖、葉的影響以及波浪作用下柔性植物的擺動(dòng)，開(kāi)展了斜坡上非淹沒(méi)柔性植物對(duì)船行波的響應(yīng)的研究。

2 理論分析

研究表明，柔性植物可以對(duì)波浪產(chǎn)生積極的響應(yīng)[5-6]。合理種植斜坡上的植物，可以起到消減波浪能量的作用。探索柔性植物對(duì)船行波爬高、回落的消減作用可以為植物生態(tài)護(hù)岸提供重要的參考。船行波水體經(jīng)過(guò)植物帶后的流速變化可以反映出柔性植物的消能作用。

式中：? ? ? —斜坡糙滲系數(shù)。m為斜坡坡度，? ?由公式（1）分析，船行波爬高主要取決于波要素、水深、岸坡糙率等。內(nèi)河航道岸坡糙率是影響船行波爬高的主要因素。相關(guān)研究表明[7]，種植植物可以有效的改變河道的糙度。

試驗(yàn)探索的是柔性植物對(duì)船行波的響應(yīng)，故需要對(duì)植物消波的能力進(jìn)行分析。柔性植物的消波能力受到多種因素的影響。與統(tǒng)一概化的剛性植物相比，柔性植物的消波機(jī)理比較復(fù)雜。結(jié)合已有的研究結(jié)論，本試驗(yàn)采用下式分析植物消減波浪的能力[8]：

式中： 為水深;為入射波波高; 為波長(zhǎng);為植物樹(shù)干型心高度;為植物根部高度;為植物樹(shù)冠型心高度;為植物分布密度; 為植物群寬度。

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、莖、葉等部位，所以對(duì)船行波的響應(yīng)方面選擇植物分布密度為主要研究因素。試驗(yàn)中使用的船模是滿足弗勞德相似的內(nèi)河航船，各種船體要素是固定的。所以試驗(yàn)主要探索的是船航速對(duì)船行波的影響。

3 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)采用改變主要因素、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減船行波的效能。

為考慮波浪作用下柔性植物的擺動(dòng)，試驗(yàn)植物是考慮根、莖、葉的比尺1：10的按照重力相似準(zhǔn)則和剛度相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的柔軟塑料制成的柔性植物，統(tǒng)一按照均勻交錯(cuò)布置。

試驗(yàn)斷面按照1：10的正態(tài)比尺進(jìn)行縮放，在3m×1m×0.5m（長(zhǎng)×寬×深）的靜水船池中進(jìn)行。試驗(yàn)航道按照五級(jí)航道的標(biāo)準(zhǔn)建立。試驗(yàn)航道底寬0.35m，長(zhǎng)3m，邊坡坡度為1：2。試驗(yàn)水深13cm。順船航行方向在航道中部斜坡上0.1m×1m（0.1㎡）的斜坡坡面上種植區(qū)均勻交錯(cuò)布置植物。船邊、植物帶后設(shè)有電磁流速儀;岸坡上設(shè)置精度為0.01mm的水位測(cè)針，采用CCD高速相機(jī)和水位測(cè)針共同測(cè)量波浪的爬高。（見(jiàn)圖1）

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

4.1 植物分布密度與船行波相對(duì)爬高的關(guān)系

試驗(yàn)中的高航速船行波初始爬高為0.030m，回落為0.054m;低航速船行波初始爬高為0.020m，回落為0.050m。

試驗(yàn)所用的相對(duì)爬高、相對(duì)回落的概念定義如下：相對(duì)回落定義與相對(duì)爬高相同。

植物分布密度（單位：株/㎡）是指單位面積上的植物個(gè)數(shù)，其概念如下：

圖2、圖3分別顯示了采用1.5m/s、2m/s兩種航速條件下植物對(duì)船行爬高的響應(yīng)。根據(jù)水深弗勞德數(shù)進(jìn)行計(jì)算并觀察船行波的形態(tài)，船行波為典型的淺水船行波。分析可知，隨著植物密度增加船行波的相對(duì)爬高顯著減小。在植物分布密度超過(guò)200株/㎡時(shí)，高航速船行波相對(duì)爬高的消減降低至0.5以下。在植物分布密度超過(guò)400株/㎡時(shí)，低航速船行波的相對(duì)爬高消減降低至0.5以下。爬高與植物分布密度的關(guān)系總體呈現(xiàn)線性函數(shù)圖像和性質(zhì)。運(yùn)用MATLAB進(jìn)行公式擬合得到

，由公式分析，低航速船行波的相對(duì)爬高函數(shù)圖像比高航速船行波的相對(duì)爬高函數(shù)圖像緩。從而可以得出結(jié)論，植物對(duì)高航速船所造成的高能量船行波的消減作用更明顯，即植物對(duì)大波的消減效果要強(qiáng)于對(duì)小波的消減。但植物分布密度增加到一定程度后，兩種船行波的相對(duì)爬高會(huì)逐漸接近。在植物分布密度較高時(shí)，植物對(duì)不同船行波的消減能力更加趨于一個(gè)穩(wěn)定的值，此時(shí)船行波波要素的變化對(duì)植物消減船行波的效能影響較小。

4.2 植物分布密度與船行波相對(duì)回落的關(guān)系

圖4、圖5分別反映了植物分布密度與高航速、低航速船行波相對(duì)回落之間的關(guān)系。由圖分析可以得出結(jié)論，斜坡上種植柔性植物植物對(duì)船行波在岸坡上的回落也有顯著的消減。運(yùn)用MATLAB對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以擬合出高航速、低航速船行波的相對(duì)回落與植物分布密度函數(shù)分別為

綜合分析植物分布密度與船行波相對(duì)爬高、相對(duì)回落的關(guān)系可以得到植物分布密度與船行波相對(duì)爬高（回落）的經(jīng)驗(yàn)公式：

4.3 植物分布密度與水體相對(duì)流速的關(guān)系

定義相對(duì)流速的概念：

植物分布密度的增加可以顯著消減船行波帶動(dòng)的水體經(jīng)過(guò)植物的流速。植物對(duì)流速的消減非常明顯，100株/㎡的植物就可以消減一半以上的流速?？傮w分析可知，植物分布密度的增加會(huì)降低流速?？傮w上呈現(xiàn)出隨植物密度增加，相鄰兩個(gè)點(diǎn)之差的變化逐漸減緩的態(tài)勢(shì)。通過(guò)對(duì)曲線的分析，在植物分布密度400株/㎡之前，植物對(duì)高航速船行波流速的消減能力要顯著強(qiáng)于低航速船行波。植物分布密度到一定的值之后，兩種船行波的流速逐漸接近，說(shuō)明植物分布密度對(duì)流速不再有明顯的消減。

船行波經(jīng)過(guò)植物前后流速變化的對(duì)比說(shuō)明植物可以有效消減船行波的能量。合理布置植物，能夠起到有效保護(hù)岸坡，消減船行波對(duì)岸坡的淘刷、侵蝕等作用。

5? 結(jié)語(yǔ)

斜坡上種植植物可以有效的消減船行波。試驗(yàn)通過(guò)在斜坡上種植植物的物理模型試驗(yàn)，得到了斜坡上種植植物時(shí)不同植物分布密度下對(duì)船行波的不同響應(yīng)。研究表明，船行波分布密度與船行波相對(duì)爬高、回落有線性函數(shù)的關(guān)系，該公式可以為護(hù)岸的設(shè)計(jì)提供技術(shù)上的參考。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在植物密度增加到一定程度后，再繼續(xù)增加植物密度對(duì)船行波的消減影響不明顯。該結(jié)論可以為植物護(hù)岸經(jīng)濟(jì)合理的布置植物提供參考。故通過(guò)在斜坡上種植植物，利用植物與現(xiàn)有護(hù)岸工程結(jié)合，能夠構(gòu)筑經(jīng)濟(jì)高效的生態(tài)型植物護(hù)岸，有助于我國(guó)新提出的“綠色水運(yùn)”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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