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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 5: 9 - 15

DOI: https://doi.org/10.11978/2016127

Orginal Article

Experimental investigation on tsunami wave attenuation under the effects of coastal vegetation with root, stem and crown

  • HE Fei , 1 ,
  • CHEN Jie , 1, 2, 3 ,
  • JIANG Changbo 1, 2, 3 ,
  • ZHAO Jing 1
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  • 1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
  • 2. Key Laboratory of Water Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China
  • 3. International Research Center of Water Science & Environmental Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
Corresponding author: CHEN Jie, Male, Ph.D., Associate Professor. E-mail:

Received date: 2016-12-05

  Request revised date: 2017-03-07

  Online published: 2017-09-22

Supported by

State Key Program of National Natural Science Foundation of China (51239001)

National Natural Science Foundation of China (51409022)

Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department (YB2015B034)

Program for Key Laboratory of Water Science and Engineering of Ministry of Water Resources (YK914013)

Graduate Student Scientific Research Fund of Changsha University of Science & Technology (CX2016SS06).

Copyright

热带海洋学报编辑部
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Abstract

In this study, we experimentally investigated the interaction of tsunami wave with coastal vegetation based on theoretical analysis. Tsunami wave and coastal vegetation were modeled by solidary wave and vegetation model including root, stem and crown, respectively. Effects of root, stem, crown, and distribution density on tsunami wave attenuation were analyzed. Results showed that tsunami wave dissipation was affected by root, stem and crown to different degrees. Transmission coefficient changes were functions of the combination of relative wave height, relative height of root, relative height of stem, relative height of crown, relative width, and distribution density. A dimensionless equation was derived to characterize the inherent relationships between characteristic of wave attenuation and factors of hydrodynamics and vegetation. The purpose of this paper was to provide scientific guidance for minimizing the impact of tsunami wave on coastal regions.

Key words： tsunami wave; coastal vegetation; wave attenuation; root; stem; crown

Cite this article

HE Fei , CHEN Jie , JIANG Changbo , ZHAO Jing . Experimental investigation on tsunami wave attenuation under the effects of coastal vegetation with root, stem and crown[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(5) : 9 -15 . DOI: 10.11978/2016127

近年来, 海啸灾害频发, 已经成为沿海国家最严重的自然灾害之一(陈杰 等, 2013)。红树林是一种生长于陆地与海洋交界带的滩涂浅滩, 以红树植物为主体的潮滩湿地木本生物群落。2004年印度洋海啸中红树林的优异表现, 让“海岸卫士”的盛名在全球远播, 成为构筑海岸防护林体系的首选防线。
现阶段众多学者开展了红树林与海啸波相互作用的水动力实验研究工作。在模拟红树林过程中, 一部分学者忽略了树根和树冠, 将其概化为垂直圆柱状植物模型, 用木质杆(Thuy et al, 2009)或PVC圆管来模拟(Huang et al, 2011; 王俊, 2011; 蒋昌波 等, 2012; 姚宇 等, 2015; 陈杰 等, 2016); 另一些学者考虑了树根却忽略了树冠, 分析了树根对海啸波传播的影响(Husrin et al, 2012; Hashim et al, 2013)。红树林是一种根系发达、枝叶茂盛的木本生物群落, 在对海啸波的消减过程中, 根茎叶均发挥了重要的作用。因此, 本文在前人研究的基础上, 综合考虑根茎叶的影响, 开展近岸植物对海啸波消减实验研究。

1 理论分析

受水动力、植物因素共同作用, 近岸植物影响下的波浪传播变形规律复杂。根据前人的实验研究、数值模拟(Suzuki et al, 2012)和现场观测(Tanaka et al, 2007)等资料, 发现影响植物消波特性的主要因素有水动力因素, 包括水深、波长、周期和入射波高; 植物因素, 包括植物分布密度、植物树根(根)高度、植物树干(茎)型心高度、植物树冠(叶)型心高度、植物带宽度等。定义Kt为透射系数, 用来表征近岸植物的消波效果。
式中: Ht为植物带后方的透射波高, Hi为植物带前方入射波高。
近岸植物的透射系数可做如下表示:
式中: h为水深; Hi 为入射波波高; L为波长; 植物树干型心高度ls; lr为植物根部高度; lc为植物树冠型心高度; ψ为植物分布密度; B为植物带宽度。将函数中的影响因素进行无量纲变换可以得到:
式中: Hi/h为相对波高, 可表征水动力因素的影响; ls/h为相对树干高度, 可表征近岸植物树干的影响; lr/h为相对树根高度, 可表征近岸植物树根的影响; lc/h为相对树冠高度, 可表征近岸植物树冠的影响; B/L为相对植物带宽度, 可表征近岸植物带宽度的影响; ψ可表征植物分布密度的影响。根据以上分析设计实验, 探究无量纲公式中各因素对于透射系数的影响, 分析近岸植物的消波特性。

2 实验概述

实验在长沙理工大学波浪水槽内进行, 水槽长40.0m, 宽0.5m, 高0.8m。实验布置如图1所示。
根据章家昌(1966)、白玉川 等(2005)对我国相关防浪植物带的调查资料, 结合Mazda等(1997)对相关树种树根的调查资料, 同时考虑到实验室仪器条件限制, 设计实验所需要的“模型树”。如图2所示, 本实验采用的几何比尺为1︰10。近岸植物模型树干部分采用PVC圆管, PVC管直径为1.1cm。PVC管在波浪作用下不会产生明显的变形, 可较好模拟植物树干(刚性)部分。植物树冠部分带有较多枝杈, 表现出较好的柔性, 本实验选取了聚乙烯材料模拟植物树冠, 冠部直径为10cm, 冠部高度20cm。由于树根根须数量、根须直径、对底面投影面积等几何因素非常复杂, 本实验对植物根部仅做概化处理, 采用塑料球架模拟植物根部, 塑料球架具有一定的柔性, 在模拟实验中与波浪相互作用时没有较明显的变形, 可以较好模拟植物树根部分。同时为更好地模拟根部的复杂性, 将塑料球架裁剪成一大一小两种尺寸, 小尺寸球架放置于内部, 大尺寸放置于外部, 根部外层直径为8cm, 根部垂直高度为5cm。
Fig. 1 Sketch of experiment

图1 实验布置
图中数字单位为cm

Fig. 2 Vegetation mode

图2 植物模型&图中数字单位为cm

为便于将植物安置在水槽底部, 制作有机玻璃底板用于固定植物模型。底板尺寸长×宽×高为150cm×48cm×0.8cm, 在板上以孔间距2.5cm穿孔。考虑到植物冠部及根部几何特征的复杂性, 本文以树干横截面积之和与底板面积比值来定义植物分布密度, 采用下式计算近岸植物分布密度:
式中: ψ为植物分布密度; N为分布区域内的植物总个数; Si为单个植物横截面面积; S为整个分布区域面积。实验中模型均以正方形分布方式布置, 可得到不同的植物分布密度。
如表1所示, 考虑到实际情况中的波况及实验仪器限制, 试验水深分别为25.0、30.0、35.0、45.0cm, 入射波高分别为5.0、7.0、9.0、12.0cm。如图3所示, 为了分别讨论植物根茎叶对消波特性的影响, 模型1至模型4的分布密度保持一致(ψ=0.0099), 模型1仅对茎进行模拟, 模型2对茎和根进行模拟, 模型3对茎和叶进行模拟, 模型4对根茎叶进行模拟。为了讨论分布密度对于根茎叶作用下消波特性的影响, 模型5、6、7均对根茎叶进行模拟, 分布密度分别为0.0063、0.0040、0.0032。
实验首先放置植物模型, 随后对造波机预热, 保证造波机性能稳定, 开启数据采集系统, 确保浪高仪性能良好。调整水槽中水位至实验水位, 待水面平静后开始造波, 测量波高数据。波高测量采用加拿大WG-50型浪高仪。浪高仪最小测量周期为1.5µs, 误差为0.4%, 采样频率为50Hz, 对于孤立波, 实验数据采集从造波机造波开始, 到孤立波传播过程结束。完成一个组次实验后, 需待水面平静后, 再进行下一组次的造波, 重复上述步骤完成下一组次实验。
Tab. 1 Experimental cases

表1 实验工况

序号 模型 实验水深h/cm 入射波波高
H/cm		 植物分布
密度ψ
模型1 树干 25.0 5.0, 7.0, 9.0, 12.0 0.0099
30.0
35.0
45.0
模型2 树干+
根部		 25.0
30.0
35.0
45.0
模型3 树干+
冠部		 25.0
30.0
35.0
45.0
模型4 根部+树干+冠部 25.0
30.0
35.0
45.0
模型5 根部+树干+冠部 25.0 0.0063
30.0
35.0
45.0
模型6 根部+树干+冠部 25.0 0.0040
30.0
35.0
45.0
模型7 根部+树干+冠部 25.0 0.0032
30.0
35.0
45.0
Fig. 3 Vegetation distribution mod

图3 植物模型分布方式

3 结果分析

3.1 根部对消波特性的影响

图4分别展示了4种波况下(H=5、7、9、12cm)模型1(树干)对比模型2(树干+根部)及模型3(树干+冠部)对比模型4(树干+冠部+根部)作用下透射系数Kt变化的实验结果。对比模型1和模型2的Kt变化的实验结果可以发现, 当lr/h由0.11增大至0.167时, Kt均出现先减小后增大的过程, 此时树干作为Kt的主要影响因子, 孤立波波峰至树干顶部的距离先减小后增大, 树干对波浪水质点的运动的干扰先增强后减弱, 因此Kt随lr/h的增大而先增大后减小。当lr/h由0.167增大至0.20时, 模型1作用下的Kt随lr/h的增而增大, 而模型2作用下的Kt随lr/h的增而减小, 可见尽管此时ls/h减小, 树干对于波浪水质点的运动干扰不断减弱, 但此时lr/h增大, 根部对于波浪水质点运动的干扰迅速增强, 因此模型2作用下Kt随lr/h的变化规律与模型1不同。对比模型3和模型4的Kt变化的实验结果可以发现, 模型3与模型4作用下的Kt随lr/h变化几乎一致, lr/h越小, 两种模型作用下的Kt差值越大, 这说明在叶的影响下, 根部对于消波特性的影响较小。综上, 根部只在相对根部高度较大时对消波影响较大, 相对根部高度越大, 根部消波效果越好。
Fig. 4 Variation of transmission coefficient with relative height of root. (a) Open markers: stem; and filled markers: stem + root. (b) Open markers: stem + crown; and filled markers: stem + crown + root

图4 透射系数随相对树根高度的变化规律
a. 空心为树干, 实心为树干+根部; b. 空心为树干+冠部, 实心为树干+冠部+根部

3.2 冠部对消波特性的影响

图5分别展示了4种波况下(H=5、7、9、12cm)模型1(树干)对比模型3(树干+冠部)及模型2(树干+根部)对比模型4(树干+根部+冠部)作用下透射系数Kt变化的实验结果。实验结果表明, 模型1及模型2作用下Kt随相对树冠高度lc/h的增大没有明显变化, 而模型3和模型4作用下的Kt均随lc/h的增大出现明显的先减小后增大的过程, 且透射系数较小, 植物消波效果显著。此外, 与小波高情况(H=5、7、9cm)不同的是, 当H=12cm时, Kt最小值出现lc/h值较大的1.167处, 可见相对于小波高的波浪, 在对大波高的波浪消波时, 应适当增大相对冠部高度才能达到较好消波效果。综上, 冠部对于消波特性的影响相对于树干和根部而言尤为明显, 当静水面趋于植物冠部型心上下时消波效果最佳。
Fig. 5 Variation of transmission coefficient with relative height of crown. (a) Open markers: stem; and filled markers: stem + crown. (b) Open markers: stem + root; and filled markers: stem + root + crown

图5 透射系数随相对树冠高度的变化规律
a. 空心为树干, 实心为树干+冠部; b. 空心为树干+根部, 实心为树干+根部+冠部

3.3 分布密度对消波特性的影响

图6分别展示了4种水深(h=25、30、35、45cm)的工况下不同分布密度ψ的模型对应的透射系数Kt变化的实验结果。对比不同波高下Kt随ψ变化的实验结果可以发现, Kt随ψ增大逐渐减小, 且Kt对ψ的敏感性随ψ增大而减小, 这表明当ψ足够大时, ψ对消波特性的影响较弱。此外, 非淹没水深情况下(h=25、30、35cm), 当波高(H=12cm)较大时, Kt对ψ的敏感性更强。由于Kt综合反映植物因素对消波特性的影响, 本文根茎叶共同作用下的Kt变化范围为0.55~0.90, 这与Kongko (2004)研究结果基本一致, 可见本文根茎叶植物模型对于红树林消波模拟效果较好。综上, ψ愈大, 消波效果愈好, 且非淹没水深下, 当波高较大时ψ对植物消波特性影响更为显著。
Fig. 6 Variation of transmission coefficient with distribution density. (a) h=25 cm; (b) h=30 cm; (c) h=35 cm; and (d) h=45 cm

图6 透射系数随分布密度的变化规律
a. h=25cm; b. h=30cm; c. h=35cm; d. h=45cm

4 结果讨论

为探究上文得到无量纲公式(3)中个因素对于消波特性的影响, 如图7所示, 基于本文模型1~7的实验数据, 以幂函数的形式, 对无量纲公式中参数进行多元非线性回归拟合, 建立透射系数Kt与相对波高H/h、相对树根高度lr/h、相对树干高度ls/h、相对树冠高度lc/h、相对植物带宽度B/L、分布密度ψ之间的关系式, 如式(5)所示, 令其右端为П。
式中i=0和1分别表示无根和有根的情况; j=0和1分别表示有冠和无冠情况。由于植物根、茎、叶作用下植物消波特性变化非常复杂, 造成部分数据点与拟合线偏差较大, 但从整体上看呈幂函数关系。可以看出水动力因素和植物因素均在不同程度上影响植物消波特性。
Fig. 7 Variation of transmission coefficient with dimensionless hydrodynamics and vegetation parameters

图7 透射系数与无量纲化水动力参数和植物参数之间关系

为了定量考察经验公式的预测值与实测数据的吻合度, 引入均方根偏差(RMSD)变异系数CV:
式中: (Kt)j表示实验实测数据, 表示经验公式预测值, 为实测数据平均值。
表2分别展示了不同植物模型所对应的经验公式预测值与实测数据之间的相对误差。
由表2可以看出, 经验公式对模型的实测数据预测效果较好(CV<12%), 可综合反映出水动力因素及植物因素对于近岸植物消波特性的影响。
Tab. 2 Coefficient of variation of CV of predicted formula compared with experimental measurements

表2 实测数据与经验公式预测值均方根偏差变异系数

模型 模型参数ψ CV/%
模型1 0.0099 2.23
模型2 0.0099 2.64
模型3 0.0099 11.60
模型4 0.0099 11.00
模型5 0.0063 7.37
模型6 0.0040 6.78
模型7 0.0032 5.44

5 结 论

本文通过物理模型实验研究了根茎叶影响下近岸植物对孤立波的消减特性, 实验结果表明根茎叶均在不同程度上影响近岸植物消波特性。本文根茎叶共同作用下的Kt变化范围为0.55~0.9。根部增大了植物带底部摩阻, 水面距离底部越近, 消波效果越好, 根部相对高度为0.2时, 根茎模型的Kt约为相同波况下茎模型的96%。树干对于消波特性影响主要取决于孤立波波峰至树干顶部距离, 波峰至树干顶部距离最小时, 茎模型Kt约为0.885。冠部对植物消波效果影响最为明显, 当静水面趋于冠部型心上下位置时, 消波效果最强; 静水面位于冠部型心时, Kt最小可至0.55。分布密度越大, 消波效果越好, 消波效果对分布密度的敏感度随分布密度的增大逐渐减弱, 且此敏感度在波高较大时尤为显著, 分布密度增大0.67, Kt最多约减少0.3。在本次实验条件下, 研究发现植物根部的消波效果较弱, 冠部的消波效果明显强于根部。本文得到了孤立波透射系数与表征水动力因素的相对波高及表征植物因素的相对树根高度、相对树干高度、相对树冠高度、相对植物带宽度、分布密度之间的关系式, 揭示了近岸植物消波特性与水动力因素、植物因素的内在联系, 得到了根茎叶影响下的近岸植物消波特性的基本认识, 为采用近岸植物减小海啸灾害提供一定理论指导。

The authors have declared that no competing interests exist.

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