陳 橙，李梓萱

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市化水平高，人口密度較大，具有十分重要的地位和作用。但由于其特殊的地理位置，沿海地區(qū)卻易遭受各類由極端水動力條件引發(fā)的自然災(zāi)害，如熱帶氣旋引發(fā)的強(qiáng)降雨、臺風(fēng)浪、風(fēng)暴潮等[1]。當(dāng)災(zāi)害來臨時，沿海地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全會受到嚴(yán)重威脅。由此，海岸工程防災(zāi)減災(zāi)(特別是沿海消波問題)成為越來越多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。

工程中常見的消波方法主要有兩類：防波堤消波及生態(tài)植被消波。防波堤消波是通過阻止波浪傳播或使波浪破碎以保護(hù)后方岸線與建筑物的消波方式，目前對其研究已較為成熟。而生態(tài)植被消波方興未艾，主要方式為補(bǔ)種防波植物，近年來在我國南方部分海岸已開始應(yīng)用。本文主要綜述生態(tài)植被消波的研究進(jìn)展，旨在為今后的相關(guān)研究提供借鑒。

1 生態(tài)植被消波研究進(jìn)展

學(xué)者們已通過數(shù)?；蛭锬５姆绞綄ι鷳B(tài)植被消波展開研究，并取得了初步的研究成果。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題可凝練為以下三方面：①植物的剛度問題。由于現(xiàn)實(shí)中植物往往是剛性(枝干、根部)和柔性(樹葉)相結(jié)合，因此在研究中對模型剛度的概化將影響消波研究結(jié)果的精確度；②植物的分布問題。由于工程實(shí)踐中植物的數(shù)量將影響到總投資，因此在研究中植物的分布方式將直接關(guān)系到工程應(yīng)用中的投資效益和消波效果；③植物的非均勻性問題。由于現(xiàn)實(shí)中濱海植物由多種群構(gòu)成，因此在研究中考慮它們的非均勻性可提高整體消波效果的精確度。

1.1 消波試驗(yàn)中植物的剛度問題

目前，植物消波試驗(yàn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)尚未對植物的剛性和柔性進(jìn)行明確界定。在以往的研究中，海草類等草本植物通常被視作柔性植物；而紅樹林等具有根、莖、葉結(jié)構(gòu)的木本植物常被視作剛性植物。在木本植物的消波試驗(yàn)中，研究者常用竹棍、木棒、有機(jī)玻璃管等材料進(jìn)行概化模擬，從而導(dǎo)致樹冠部分的柔性難以準(zhǔn)確地進(jìn)行概化處理。

圖1 試驗(yàn)中的植物概化模型

根據(jù)消波植物特性不同，學(xué)者們采用剛性或柔性植被模型分別進(jìn)行研究。在物理模型試驗(yàn)方面，何飛等[2]綜合考慮剛性植物的根、莖、葉的影響，對剛性植物透射系數(shù)的影響因子進(jìn)行無量綱參數(shù)變換，研究了不同密度條件下剛性植物群的消波能力。為進(jìn)一步探尋植物帶各部分波高衰減規(guī)律，何飛等[3]對Dalrymple波浪傳播模型[4]和Kobayashi波浪傳播模型[5]進(jìn)行分析，試驗(yàn)表明葉的存在加強(qiáng)了植物的消波效果和植物邊界效應(yīng)，且植物的綜合消波效果并非由植物的各個組成部分單純線性疊加而成。曾思益等[6]用有機(jī)玻璃管對剛性植物進(jìn)行概化處理(圖1(a))，試驗(yàn)表明在一定淹沒度、入射波高條件下，沿水流方向的波高衰減強(qiáng)度的敏感度逐漸降低。Tan等[7]對4種不同剛度的概化植物模型進(jìn)行試驗(yàn)(圖1(b))，探究二次波峰、紊流強(qiáng)度、波能耗散等變化，認(rèn)為剛度越大，湍流強(qiáng)度越大，能量耗散愈加明顯。鄧偉等[8]在規(guī)則波條件下，用人工柔性植物模擬灘地柔性植物，認(rèn)為柔性植物對長周期波浪的消減效果較好。Wang等[9]通過將數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合，將植物概化為剛性圓柱體，并基于IHFOAM求解器建立三維數(shù)值模型，得出波浪非線性對波浪衰減起至關(guān)重要作用的結(jié)論。不僅如此，Yin等[10]還指出隨著速度比的增加，阻尼因子比均遵循指數(shù)增長趨勢，但波流反向情況的增長速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波流同向情況。Zhao等[11]將物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合，研究表明剛性植物引起的后方水流和逆向水流均可增強(qiáng)或抑制由植被引起的波浪衰減。

在前人研究的基礎(chǔ)上，吉紅香等[12]設(shè)計(jì)出由剛性樹干和柔性枝葉的組合模型樹，并研究不同植物情況下對規(guī)則波的消波效果。結(jié)果表明，植物整體主要依靠表面糙率、繞流、干-流相互作用對波浪進(jìn)行消減，但剛性樹干的消波效果不及柔性枝葉。何飛等[13]利用PVC管模擬植物樹干，用聚乙烯材料模擬樹冠，用塑料球架模擬植物根部，得出根部的消波效果弱于冠部的結(jié)論。譚超等[14]通過改變植物桿群的剛度，提出剛性植物桿群內(nèi)的波峰流速比柔性植物桿群內(nèi)大；柔性植物桿群內(nèi)，每個流速周期內(nèi)均存在雙峰結(jié)構(gòu)。

綜上所述，目前在生態(tài)植被消波試驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)中，對植物的剛度尚未有明確定義。今后的研究可設(shè)置更大的植物剛度變化范圍，為植物剛性和柔性的劃分提供界定依據(jù)。

1.2 消波試驗(yàn)中植物的分布問題

圖2 消波試驗(yàn)中植物的不同分布方式

在生態(tài)植被消波試驗(yàn)中，學(xué)者們對植物的分布方式也有一定的研究。陳杰等[15]設(shè)計(jì)了6種剛性植物分布方式(圖2(a))，認(rèn)為分布密度相同時，三角形分布消波效果優(yōu)于其他分布形式；陳橙等[16]在海嘯波沖擊紅樹林模型的試驗(yàn)中，亦得出三角形交錯分布最優(yōu)的結(jié)論。張明亮等[17]改變剛性植物的高度、縱向分布方式，模擬自然條件下剛性植物的淹沒和非淹沒2種狀態(tài)，使研究結(jié)果與實(shí)際更加符合。彭浩等[18]基于Nepf[19]對植物帶交錯分布排列結(jié)構(gòu)的定義，對比分析了矩形、交錯、組合3種剛性植物分布條件下的消波效果(圖2(b))。彭浩等[20]研究了單株剛性植物和簇狀剛性植物在規(guī)則波和不規(guī)則波條件下的消波效果，認(rèn)為對于單株-矩形分布植物帶，密度相同時增加相鄰植物間沿流向的距離可使消波效果增強(qiáng)；對于單株-交錯分布植物帶，植物拖曳力系數(shù)隨植物淹沒度和植物間距的增大而增大；對于簇狀植物帶，適當(dāng)增加植物因素及減小透射系數(shù)影響因素，消波效果增強(qiáng)(植物分布如圖2(c)所示)。Tang等[21]基于二階完全非線性Boussinesq方程，建立二維數(shù)值模擬水槽，探究植物帶寬度變化對波浪爬升的影響，認(rèn)為在植被區(qū)域長度不變的情況下，隨著波浪周期增加，波高衰減率總體呈現(xiàn)上升趨勢。

有別于對單種植物進(jìn)行研究，張茂章等[22]從林相結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，對喬木、灌木、草本的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究(圖3)，結(jié)果表明：在高水位情況下，單一喬木林消波效果最好；在中低水位情況下，復(fù)合林相消波效果好。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)因地制宜地搭配適合的植物種類，組成單一林相或復(fù)合林相的防浪林，從而達(dá)到預(yù)期的消波效果。

圖3 生態(tài)消波研究中不同林相復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖

目前，不同林相組合的研究較為新穎，也更接近于海岸植物多樣化的實(shí)際情況。今后可在單一植被消波研究的基礎(chǔ)上，將適應(yīng)當(dāng)?shù)厣姝h(huán)境的多種植物進(jìn)行林相組合，以期在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。此舉不僅能提高消波效果，還能為恢復(fù)海岸帶生態(tài)多樣性提供助力。

1.3 消波試驗(yàn)中植物的非均勻性問題

除了上述問題，也有學(xué)者考慮植物密度分布的非均勻性問題。蔣昌波等[23]在植物區(qū)設(shè)置了4種不同密度線性變化的方式，認(rèn)為植物區(qū)的非均勻性對孤立波的消減作用較小，波高和流速沿程衰減曲線皆呈現(xiàn)出類“0”字形或類“8”字形。由此可推斷，在波浪傳播的路徑上調(diào)整植物分布密度，可對消波效果進(jìn)行優(yōu)化。Li等[24]改變波浪條件和植物密度，認(rèn)為莖密度越大，波高衰減越明顯，且該特性在規(guī)則波條件下最為明顯?？紤]到海岸植被呈斑塊狀分布的實(shí)際情況，Zhao等[25]設(shè)定6種不同植物密度分析斜坡上孤立波爬高的衰減過程，得出植物內(nèi)部均勻分布比非均勻分布具有更強(qiáng)消波效果的結(jié)論。Chen等[26]對植物冠層中的垂直密度變化進(jìn)行研究，提出植物場內(nèi)部的湍流主要是由于植物頂部冠層的剪切作用和植物主干后部的尾流共同產(chǎn)生的；在純波條件下，平均波速和最大波速均出現(xiàn)在冠層頂部附近。

2 不同波浪情況下的植被消波研究

在生態(tài)植被消波研究中，實(shí)驗(yàn)室及數(shù)值模擬所使用的波浪分類方式有所不同：規(guī)則波和不規(guī)則波、線性波和非線性波、孤立波(模擬深水海嘯波)和破碎波(模擬上岸海嘯波)等。表1將生態(tài)植被消波研究依據(jù)植物剛度進(jìn)行分類，列出了實(shí)驗(yàn)室及數(shù)值模擬中所使用的波浪類型。

從表1可知，有關(guān)規(guī)則波和不規(guī)則波研究較多，但對孤立波(如深海中的海嘯)、破碎波(如淺水區(qū)或上岸后的波流)的研究較少。實(shí)際上，沿海地區(qū)地形復(fù)雜、潮位和水深多變，波浪的淺水變形和破碎情況具有多樣性和當(dāng)?shù)氐木窒扌?，由此植物的消波能力也會受到上述因素的影響?/p>

表1 依據(jù)植物剛度進(jìn)行分類的波浪種類

針對波流結(jié)合情況，Wang等[37]觀察了海三棱草植被區(qū)域的水流形態(tài)，認(rèn)為在單一水流條件下，植物的存在會抑制水深10 cm以下區(qū)域的湍流，同時加強(qiáng)該深度以上、植物冠層以下區(qū)域的平均湍流強(qiáng)度；存在波浪的情況下，植物能吸收由波浪引起的湍流。Zhao等[38]認(rèn)為在孤立波與水流同向情況下，正向水流對波流阻尼系數(shù)影響較大，并且會導(dǎo)致較大的波能量衰減率。Zhang等[39]基于有限體積Roe方法提出了海嘯波傳播的水動力模型，表明增大植被寬度和植被密度可以提升海嘯波的波高衰減率，同時也會影響海嘯波到達(dá)高地的時間。Li等[40]采用3D RANS模型研究在植被場中規(guī)則波、不規(guī)則波和隨機(jī)波的傳播情況，闡明在植被區(qū)域波浪能量耗散導(dǎo)致波浪振幅和速度減小，并通過黏性阻尼傳遞給上游區(qū)域。Zhan等[41]基于Navier-Stokes方程、RNG湍流模型和VOF方法，建立部分區(qū)域帶有植被的三維數(shù)值模型，研究單向和多向不規(guī)則波在該區(qū)域上的傳播情況，模擬結(jié)果與Vincent等[42]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，并揭示了在多向不規(guī)則波條件下植被區(qū)域?qū)Σɡ说淖钃跣?yīng)機(jī)制。

對于波浪爬升斜坡的情況，Yin等[43]基于RANS的三維數(shù)值模型，對帶有植被的斜坡進(jìn)行波浪爬升試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果顯示，當(dāng)波浪在斜坡上爬升時，會表現(xiàn)出非線性并出現(xiàn)淺灘效應(yīng)，并指出植物消減效果與波長、斜坡坡度、水平距離相關(guān)。姚宇等[44]研究孤立波沿斜坡的爬升情況，基于改進(jìn)的Boussinesq方程得到植被的拖曳力系數(shù)，明確了當(dāng)入射波高和岸灘坡度不變時，植被密度越大，波浪爬高越小。Tang等[45]提出適用于沿海緩坡區(qū)域的波浪折射-衍射模型，闡明在剛性植物淹沒區(qū)域，植物直徑、密度越大，隨著波浪傳播距離的增加，波高非線性減小。Cao等[46]基于Cao等[47-48]的數(shù)據(jù)與分析，通過數(shù)值模擬研究波浪破碎、底摩擦、植被引起波浪耗散等因素與波浪沿斜坡爬升之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋時，波浪耗散明顯，而無植被時，波浪只在高水位情況才表現(xiàn)出輕微耗散。Gong等[49]針對3種不同形式植物模型，利用GP、ANNs和MNLR進(jìn)行分析，指出與植被場的相對寬度和相對高度相比，增加植被場的固體體積分?jǐn)?shù)可以更有效地衰減波高。以上均是波浪應(yīng)用于植被場中的研究，而Yin等[50]還將研究對象從植被場聚焦于單株植被，并用XBeach模型對柔性植被消波進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，闡釋了柔性植物的彈性模量對消波效果的影響表征。

在消波研究中，一些學(xué)者還將植被與結(jié)構(gòu)物相結(jié)合以探究其消波特性。Chen等[51]對漂浮的植被平臺進(jìn)行數(shù)值模擬研究，指出最大流速位于植物冠層底部與平臺上層間?；诖?，Wang等[52]提出帶植被平臺的浮式防波堤，并構(gòu)建數(shù)模水槽探究其與孤立波間的相互作用，指出波浪通過植被平臺分層后可視為不穩(wěn)定單向流，并提出簡單浮臺和植被浮臺的波浪反射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。

綜上，對于不同波浪作用下植被消波的相關(guān)研究，一方面需進(jìn)一步探索波浪與植被相互作用的內(nèi)在機(jī)理，另一方面還可將植被與傳統(tǒng)消波結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以探究其消波效果的優(yōu)越性。

3 防波堤與生態(tài)植被消波的對比

無論是防波堤還是生態(tài)植，均能在一定程度上抵御或消減海岸極端水動力(如臺風(fēng)浪、風(fēng)暴潮、海嘯等)的作用。防波堤與生態(tài)植被在海岸條件、消波機(jī)制、生態(tài)效益、后期維護(hù)等方面均有所差異。

在海岸條件方面，傳統(tǒng)防波堤適用的海岸條件范圍較廣。防波堤在采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┖螅浣ㄔO(shè)地點(diǎn)不受氣候、土壤、水動力等因素的制約。而生態(tài)植被消波的主體是植株，其所生長的海岸區(qū)域受到氣候、土壤、水動力條件等嚴(yán)格的約束。例如，有“海岸衛(wèi)士”之稱的紅樹林僅可分布在我國浙江省以南的沿海地區(qū)，且植株種類由北向南逐漸豐富。在海岸帶地區(qū)種植紅樹林需位于潮間帶，且需有陸地淡水徑流匯入。此外，植株幼苗若受大浪頻繁侵襲則不易成活。因此，生態(tài)植被消波對海岸條件的需求較為苛刻，學(xué)者們在進(jìn)行生態(tài)植被消波研究時需考慮當(dāng)?shù)睾０短攸c(diǎn)。

在消波機(jī)制上，傳統(tǒng)防波堤可認(rèn)為是硬性消波，防波堤建成之后對波浪的消減作用立竿見影。而對于生態(tài)植被消波，可認(rèn)為是軟性消波。生態(tài)植被幼苗在種植后需足夠的生長周期，故種植初期的消波效果不佳。我國沿海多為短周期波，硬性消波消減短周期波效果較好。而我國援建港口的“一帶一路”沿線國家多為中長周期波，此時軟性消波機(jī)制將更有利于中長周期波的消減[8]。

在生態(tài)效益上，植被消波對海岸的環(huán)境友好度高。在工程實(shí)施后，可提升海岸帶景觀，完善生態(tài)系統(tǒng)，豐富海岸帶生物的多樣性。從該角度考慮，則生態(tài)植被消波與我國“十四五規(guī)劃”相契合，更有可能成為未來新的發(fā)展方向。

在后期維護(hù)方面，屬于硬性消波的防波堤在遭受極端水動力條件后需要定期修復(fù)和維護(hù)，否則消波效果將有所降低；而屬于軟性消波的植被會隨著植株種群和范圍的擴(kuò)大而逐漸提升消波效果，且遭受極端水動力條件后基本能做到自我修復(fù)，不需頻繁維護(hù)。

綜合防波堤和生態(tài)植被二者來看，今后的研究可嘗試將硬性消波與軟性消波相結(jié)合，發(fā)展“生態(tài)堤”等新型消波形式。

4 結(jié) 語

海岸防災(zāi)減災(zāi)(特別是消波問題)是海岸工程中的重要課題。本文從消波的效果、方法、機(jī)理等方面對我國沿海地區(qū)生態(tài)植被消波的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。首先，分析了消波植被研究中的剛度問題、分布問題、非均勻性問題。進(jìn)而，綜述了不同波浪情況下的生態(tài)植被消波研究方法。最后，將防波堤消波與生態(tài)植被消波進(jìn)行對比，分析二者在海岸條件、消波機(jī)制、生態(tài)效益、后期維護(hù)等方面的異同，為今后的生態(tài)植被消波研究提供一定的思路。