侵蚀浪条件下沉水植被对沙坝-潟湖海岸的冲淤影响研究

丛新, 匡翠萍, 武云龙, 夏子龙

同济大学, 上海 200092

潟湖海岸是地球上最具生产力和价值的生态系统之一, 而全球气候变化正对海岸带基础设施等产生显著影响(Hanley et al, 2020)。我国发展改革委和自然资源部2020 年发布的《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035 年)》中, 明确提出对典型海岸生态类型系统的保护和修复。处于受侵蚀海岸前沿的植被是一种天然的海岸生态防护形式, 它在维持生态平衡方面发挥着至关重要的作用, 且与硬防护工程相比具有明显的经济性(Morris et al, 2018), 但人们对海岸生态系统恢复的生境适宜性及其动力地貌响应的了解还十分匮乏, 因此植被对海岸动力地貌影响机制的研究变得十分迫切。

植被-波浪相互作用在波能衰减和海岸侵蚀中起着重要作用。众多学者使用木棒或塑料棒(套管、薄片、纤维等)等材料模拟出不同植株部分的形态特征, 通过物理模型试验, 发现茎密度、茎长与水深之比、柔性有效叶片长度等特征参数都对波浪衰减具有重要影响(Anderson et al, 2014; Lei et al, 2019)。为了综合考虑植物布置特征, 蒋昌波等(2017)将植物排布方式及植被密度统一为1 个参数——植物综合系数, 并研究了规则波作用下植被对岸滩冲淤演变特征的影响。但是, 模拟植物始终不能全面反映真实植物特征, 因此活体植物也成为了关注点之一。研究发现, 植被密度和生物量、植物柔韧性与高度、波浪条件和水深都是影响植被-波浪相互作用的重要因素(Maza et al, 2015; Rupprecht et al, 2017)。另外, 潮流作用也不可忽视, 植物可降低布置区域的流速, 增加冠层顶部以下的紊动强度(Wang et al, 2016)。

为了捕捉与海岸风暴影响相关的一系列形态动力学过程, Sallenger (2000)提出了4 种风暴影响模式(冲流、击岸、越流和淹没), 这些模式已被作为风暴对海岸线影响的标准衡量方法(Jackson et al, 2020)。基于这4 种风暴影响模式, 众多学者就植被对海岸沙丘侵蚀和稳定的影响进行了研究。总体来看, 在不同风暴、剖面和侵蚀模式下, 植被总能减少海岸沙丘的净侵蚀(Silva et al, 2016), 并在初始冲流和击岸模式(Odériz et al, 2020)中发挥较好的作用。

目前的研究多集中在植被-波浪相互作用上, 植被对海岸系统侵蚀影响的研究相对较少, 且不同动力地貌环境(剖面结构、波浪条件、泥沙特征等)与不同植被特征(密度、分布、根、茎、叶等)之间的相互作用机制仍缺乏深入探讨。本文将基于极具社会生态价值且目前研究极为稀少的典型潟湖海岸——沙坝-潟湖系统, 考虑侵蚀浪条件, 采用动床水槽试验的方法, 研究沉水植被对该系统泥沙输运的影响。

1 研究方法

本次动床试验在同济大学水利港口工程实验室的波浪水槽(长50m, 宽0.8m, 高1.2m)中进行。试验布置如图1 所示, 沙坝长1m、高0.48m, 所有坡度均设置为1∶2, 海岸前丘后侧采用高0.8m 的PP 板支撑。波浪数据由7 台电容式浪高仪(W1—W7)及4 台声波式浪高仪(Wa—Wd)测得, 测量时首先需要调零(以静水面为零刻度), 采样频率均为50Hz, 具体浪高仪布置位置已在图1 中标出。试验过程由3 台单反相机记录, 分别架设在沙坝、潟 湖及海岸前丘附近。植被布置范围为距坝顶水平距离0.68m 的坝前坡。试验数据处理过程中, 皆按照以下坐标系: 横坐标x以W1 位置为零刻度, 纵坐标z以水槽底为零刻度。

定义侵蚀浪为原型研究区域秦皇岛七里海波浪测站的全年数据中前 10%有效波高范围内的特征值。采用2019 年4 月至12 月的浮标测站波浪数据, 统计分析后得到有效波高大于1.0m 的时刻约占总数据量的9%, 选取了实际特征有效波高1.3m和1.6m。考虑侵蚀浪及试验设备条件, 并利用局部拟合法, 结合动力相似(弗劳德数相等)、泥沙起动相似(希尔兹数相等)与沉降相似(罗斯数相等)理论(尹硕 等, 2017; Ma et al, 2020), 确定几何比尺lλ、相对密度比尺λs1-、粒径比尺Dλ及沉速比尺ωλ间需满足如下式(1)和式(2)的关系, 最终确定试验比尺为 1∶10。试验入射波高(即输入波高, 定义为IWH)设置为0.13m 和0.16m, 分别对应实际波高1.3m 和1.6m。海岸系统模型由轻质树脂砂堆置而成, 其 中 值 粒 径 为 0.15～0.18mm, 密 度 为1.40～1.45g·cm-3, 对应原型中值粒径约为0.11mm。

式中:l为几何长度;s为砂粒相对密度;D为泥沙粒径;ω为泥沙沉速。

考虑有无植被情况, 水深设置为0.48m, 共设计实施了 4 种工况(见表 1)。入射不规则波采用JONSWAP 谱生成, 空槽情况下凑谱(凑谱位置为W0 处, 电容式浪高仪)得到的理论靶谱及4 种工况下W1 位置处得到的波谱如图2 所示。由图可见, 布置沙坝及植被后, 由于该系统的反射作用及试验过程中其形态上的时变特征等因素影响, 谱峰被削弱, 高频域增大(T1—T4), 植被则促使谱峰进一步略微削弱(T2、T4), 但此现象对该处的有效波高基本未产生影响。

表1 工况设计 Tab. 1 Design of experimental tests

沉水植物采用有机玻璃管和光纤制成,模拟叶片(光纤)直径为0.5mm, 长5cm, 每8 根光纤通过皮套捆绑作为一株植物固定在有机玻璃管中(图3a)。按照密度为2500 株·m-2、每株间隔2cm的矩形布置形式(图 3b)安插固定在沙坝底部预制的PP 塑料板上,埋砂后只露出光纤部分,图3c 为冲刷后的植被形态,具体的布置过程参照了黄光玮等(2021)的发明专利。由于塑料板水平放置在沙坝前坡下方,板上砂层厚度不一,因此根据砂层厚度设计了不同有机玻璃管长度的植株。

本文基于MATLAB 完成所有数据处理, 有效波高H1/3采用波面的统计特征与波谱的关系求得, 首先对波浪时间序列进行标准化处理, 即用原始时间序列减去移动平均后的时间序列, 移动平均函数中滑动窗口参数值取为一个波周期内的采样点数, 再通过快速傅里叶变换方法得到波浪谱, 最后利用波谱对原点的零阶矩m0计算有效波高H1/3=4.004m01/2(邱大洪, 2011)。波浪反射系数根据Goda 等(1976)提出的方法分离入射和反射波高(基于W2 和W3 处 的波浪数据)后求出。根据入射波和反射波各组成波的振幅ai(m)和ar(m), 可求得波浪反射系数Kr:

式中:M为样本总数的一半;m为各样本编号。

入射波高Hi(进入沙坝-潟湖系统时的计算波高, 与IWH 不同)和反射波高Hr可由Kr和实测的合成波高Hs(W2 和W3 位置处的波高均值)算得:

透射波高Ht采用W5 处的波浪数据, 透射系数Kt由式Kt=Ht/Hi计算得到。耗散系数Kd代表能量损失, 可根据能量守恒定律计算得到(Yin et al, 2016):

剖面变化及输沙量的计算均通过图像像素分析方法得到。首先截取并校正视频中特征时刻对应的轮廓形态图像, 然后使用红色单像素点将每幅图片的沙坝-潟湖系统剖面形态轮廓描绘出来, 使用MATLAB 提取红色单像素点坐标, 将像素坐标转换为实际坐标系, 即可得到剖面形态的变化特征。通过计算剖面形态与初始形态所包围的面积, 即可得到单宽输沙量的变化特征。

2 结果与分析

2.1 波浪传播特征

通过将波面的统计特征与波谱联系起来, 利用波谱的原点零阶矩求得各工况有效波高的沿程变化, 如图4 所示。从图中可以看出, 波高经过沙坝前后总体表现出先略减小后增大, 紧接着急剧减小的趋势。种植沉水植被后, 沙坝前坡的波高增大幅度明显降低, 以Wa 处数据为基准, 植被影响下的波高衰减百分比分别为9.34% (IWH=0.13m)、7.81% (IWH=0.16m)。经过沙坝后, 植被明显使波高进一步削弱, 以W5 处数据为基准, 植被影响下的波高衰减百分比分别为20.33% (IWH=0.13m)、10.11%(IWH=0.16m)。总体来说, 入射波高较小时, 植被对波高衰减贡献更多, 即植被的消浪效率更大。

表2 为各工况下波浪的反射系数、透射系数及耗散系数, 整体表现为反射系数Kr＜透射系数Kt＜耗散系数Kd。植被作用使反射系数和透射系数减小, 耗散系数增大。耗散系数增大的百分比分别为8.33%(IWH=0.13m)、7.50%(IWH=0.16m), 这与植被造成的波高衰减结果一致; 反射系数减小的百分比分别为21.43%(IWH=0.13m)、19.44%(IWH=0.16m); 透射系数减小的百分比分别为 21.74%(IWH= 0.13m)、12.50%(IWH=0.16m)。

表2 不同工况下波浪的反射、透射和耗散系数 Tab. 2 Wave reflection, transmission and dissipation coefficients

2.2 沙坝-潟湖系统剖面变化特征

从试验过程视频中截取特征时刻(均选取8192个采样点对应时刻, 约164s)的剖面形态图像, 并提取坐标信息, 得到如图 5 所示的沙坝(x=6.88～ 9.60m) 、潟 湖(x=9.60～11.44m)及海岸前丘(x=11.44～ 12.74m)的剖面变化特征。总体来看, 沙坝坝顶冲刷较明显, 潟湖内呈淤积趋势, 海岸前丘受波浪冲刷形成陡坎。同等条件下波高较大时, 沙坝侵蚀较多, 潟湖内淤积较多且陡坎侵蚀厚度较大。沉水植被总体上可减少沙坝侵蚀, 减少潟 湖内淤积以及陡坎侵蚀厚度。但在沙坝前坡坡肩处出现了植被造成冲刷厚度略有增大的现象, 这是由试验设计的模型效应造成的: 冲刷后模拟植被下的有机玻璃管出露, 产生局部较强的水流紊动现象, 且随着出露高度变大, 有机玻璃管随波浪摆动幅度增大, 泥沙较易起动。但是, 这种冲刷增大的结果, 与边缘区域植物由于较强波浪持续作用而“连根拔起”时产生的局部较大冲刷的结论一致(Feagin et al, 2019)。 为了定量分析植被对沙坝-潟湖系统剖面变化的影响, 分别求得沙坝、 潟湖及前丘区域的最大淤积厚度和最大冲刷厚度, 如表3 所示。植被影响下沙坝上的最大淤积厚度(沙坝前坡坝趾处)增大, 这说明沉水植被具有促淤的功能, 而在 潟湖及前丘范围内, 植被使入射波高为0.13m 时的最大淤积厚度减小, 入射波高为0.16m 时的最大淤积厚度基本不变。 潟湖内总是表现为淤积, 无侵蚀区域。植被作用下, 沙坝和前丘区域的最大侵蚀厚度均减小, 当入射波高为0.13m 时, 沙坝、前丘的最大侵蚀厚度减小值分别为1.09cm(减小了7.96%)和1.62cm(减小了10.95%); 当入射波高为0.16m 时, 减小值分别为1.85cm(减小了11.12%)和1.40cm(减小了9.16%)。可以看出, 波高为0.13m 时, 植被作用对减少前丘最大侵蚀厚度的效率较高, 这与耗散系数在0.13m波高时增大的百分比较大及波能耗散较多相一致; 波高为0.16m 时, 植被对减少沙坝最大侵蚀厚度的效率较高, 这主要是因为植被造成其边缘区域在IWH=0.16m 时冲刷更明显, 使泥沙落淤在植被后侧区域, 造成侵蚀厚度减小较多。

表3 最大淤积厚度和最大侵蚀厚度 Tab. 3 Maximum deposition thickness and maximum erosion thickness

2.3 沙坝-潟湖系统输沙量变化特征

输沙量变化对沙坝-潟湖系统的地貌演变具有重要意义, 本文以提取出的剖面形态为基础, 求出典型时刻沙坝、潟湖及前丘剖面与初始剖面形态所围成的面积, 区分冲刷和淤积, 定义该面积数值为单宽输沙量(单位: cm3·cm-1), 以此值表示系统输沙特征。其中, 侵蚀量和淤积量都为正值, 表示仅包含侵蚀或淤积的输沙量大小。净输沙量则区分正负, 表示该区域淤积量与侵蚀量的差值(净输沙量=淤积量-侵蚀量), 正值代表淤积, 又叫净淤积量; 负值则代表冲刷, 其绝对值称为净侵蚀量。总输沙量也区分正负, 表示整个系统的淤积量与侵蚀量之差, 由于沙坝-潟湖系统的总输沙量皆为负值, 表现为冲刷, 因此下文中使用离岸输沙量来表示总冲刷量的大小。

经计算, 各区域单宽输沙量结果如表4 所示。当入射波高为0.13m 时, 整个系统的淤积量、侵蚀量、净侵蚀量、净淤积量及离岸输沙量都在植被的影响下有所减小, 其中前丘净侵蚀量减小的百分比最大, 达45.52%, 侵蚀量减小的百分比也较大, 为32.94%。当入射波高为0.16m 时, 除淤积量外, 其他量值均表现为不同程度的减小, 且淤积量在前丘区域增大较明显, 前丘区域净侵蚀量减少的百分比较大, 达37.99%, 但仍较波高为0.13m 时效率低, 这是由于波高为0.13m 时的波浪衰减百分比较高。离岸输沙量减少的百分比分别为 19.96%(IWH= 0.13m)、12.23%(IWH=0.16m)。整体来看, 植被可减少沙坝净侵蚀量、 潟湖内淤积速率及离岸输沙量, 因此对海岸前丘有较好的保护作用。

表4 沙坝-潟湖系统各区域单宽输沙量 Tab. 4 Sediment transporting load per unit width in the sandbar-lagoon system

2.4 讨论

本文针对沉水植被对沙坝-潟湖系统泥沙输运的影响开展了试验研究, 以秦皇岛七里海沙坝-潟湖为原型, 基于动力相似、泥沙起动和沉降相似条件, 根据原型研究区的砂质中值粒径, 按照相似条件计算得到试验模型的砂粒径。限于波浪水槽条件, 仅能产生单向波, 无法考虑波浪入射角度。本试验研究主要考虑了不同波高的影响, 而植被本身特征以及其他水沙动力条件等因素的变化可能都会对试验 产生影响。例如, 对于竹棒模拟的挺水植物, 考虑了坝顶和坝坡组合布置情况, 总体表现为植被密度越大, 波浪衰减越大(Kuang et al, 2021); 对于以富贵竹作为挺水植被布置在坝顶的情况而言, 水深对波谱形态产生影响, 尤其是水深较大时, 产生除主频外的另一较明显高频谱峰, 且植被对海岸沙丘的保护效率比水深较小时减弱(Cong et al, 2021)。

为了在有限范围内更好地使用单反相机捕捉剖面变化, 试验仅根据泥沙水下休止角选择了较大坡度, 这样可使波浪作用下沙坝剖面向平衡状态发展更快, 冲淤更明显, 从而减小了测量冲淤的误差。泥沙粒径、波陡及坡度间有着复杂的关系, 董凤午(1981)曾提出平衡状态下一个适用于原型、模型及水槽试验的岸滩坡度的经验关系式, 但该关系式仅适用于长时间下的平衡状态, 而不适用于本文的短周期波浪作用。因此, 研究短周期波浪作用下砂质粒径、岸坡与波浪之间的变化过程及相互关系也是未来的一个研究方向。

潮流在沙坝-潟湖系统中是一个重要的动力因素, 但实验室水槽需通过水流循环系统造流, 而沙坝-潟湖海岸系统中沙坝阻挡了水流的通过, 也就是在水槽中无法实现波流耦合, 但这可以通过港池试验来实现。因此, 针对复杂的沙坝-潟湖海岸系统, 今后的研究需要通过水槽动床和定床试验、港池动床试验和数学模型多手段相结合, 综合考虑潮流和波浪动力条件、泥沙和岸滩特征及植被分布特征, 系统地探究沙坝-潟湖海岸的冲淤机理。

3 结论

本文通过设计实施物理模型动床水槽试验, 基 于沙坝-潟湖系统的海岸剖面形态, 研究了侵蚀浪条件下沉水植被对该系统海岸冲淤的影响, 主要得到以下几点结论:

1) 沉水植被明显削弱了沙坝前坡波浪破碎区前缘的波高增大幅度, 植被影响下的波高衰减百分比分别为9.34%(IWH=0.13m)、7.81%(IWH=0.16m); 经过沙坝后, 植被也造成明显的波高衰减, 衰减百分比分别为 20.33%(IWH=0.13m)、10.11%(IWH= 0.16m), 表明植被对IWH=0.13m 时的波高影响效率较高。

2) 植被作用使反射系数和透射系数减小, 耗散系数增大, 其中耗散系数增大百分比分别为8.33%(IWH=0.13m)、7.50%(IWH=0.16m), 与波高衰减百分比特征一致。

3) 波浪作用下, 沙坝坝顶冲刷较明显, 潟湖内则呈淤积趋势, 海岸前丘受波浪冲刷而形成陡坎。植被影响下沙坝和前丘区域的最大侵蚀厚度均减小, 其中波高为 0.13m 时, 波能在沙坝处耗散较多, 植被作用对减少前丘最大侵蚀厚度的效率较高; 波高为 0.16m 时, 由于植被边缘区域冲刷增多, 以及被冲刷的泥沙落淤到坝顶受侵蚀较强处, 故植被作用对减少沙坝最大侵蚀厚度的效率较高。

4) 植被可减少沙坝的净侵蚀量、 潟湖内淤积量及离岸输沙量, 对海岸前丘有较好的保护作用。由于植被作用下的波高衰减和波能耗散, 海岸前丘净侵蚀量减小的百分比分别达 45.52%(IWH= 0.13m)、37.99%(IWH=0.16m); 离岸输沙量减少的百分比分别为19.96%(IWH=0.13m)、12.23% (IWH =0.16m)。