水生植物群对近岸波浪传播作用机理的多尺度分析方法研究

Aquatic vegetation plays an important role in ecological environment and coastal defense, it is indicated that investigation on coastal wave propagation through aquatic vegetation has not only a practical application prospect, but also has theoretical significance. Whereas,coastal wave propagation problem is characterized by a cascade of scales in space. It is hard to simulate the whole problem. Homegenization method is expected to be powerful tool for this problem. To investigate the dissipation effect of aquatic vegetation, the propagation of regular wave over vegetation covered seabed is studied. Based on the homogenization method，multi-scale analysis, numerical simulations and wave flume experiments, an investigation on wave scatter and dissipation problem through aquatic vegetation is carried out to explore the homogenization method for the propagation of nearshore wave. Present study will be expected to reveal the patterns of wave attenuation, wave energy dissipation and mass transfer rates across aquatic vegetation. It is intended for the foundation of an effective theoretical and numerical method for nearshore wave propagation through complex sea canopy (roughness) and aquatic vegetation. Furthermore, the study can provide valuable reference for coastal defense and aesthetic design.

近岸水生植物对生态环境的维护以及近岸的防护具有重要的作用，因此，研究波浪在水生植物群中的传播具有重要的研究意义和应用价值。水波在近岸的传播过程往往涉及空间上多个尺度，难以通过计算进行完整问题的数值模拟，因而多尺度分析方法有望成为研究该问题的有力工具。本项目以研究近岸水生植物群对波浪传播的影响为目标，以水生植物覆盖海底条件下的波浪传播过程为研究对象，运用匀质化多尺度理论分析、局部问题数值模拟以及水槽实验等手段，开展波浪通过水生植物群传播及波能耗散的研究，探索复杂介质中近岸波浪传播的多尺度分析方法，揭示近岸波浪通过水生植物群时波高衰减、波能耗散和质量输运速率的规律。为计及小尺度复杂海底地形（粗糙度）、水生植物等影响因素的近岸水波传播建立有效的理论分析和数值模拟方法奠定基础，并为近岸海堤防护与景观设计提供有益的参考。

近岸水生植物对生态环境的维护以及近岸的防护具有重要的作用，水生植物群中的流动、物质输运特性以及波浪在水生植物群中的传播具有重要的研究意义和应用价值。水生植物群的存在改变流动结构从而影响营养物、污染物的输运扩散，同样也会影响波浪在近岸的传播。该问题涉及到植物群中复杂的湍流流动，且空间上存在以植物枝干间距为特征尺度的微观尺度和植物覆盖区域为特征的宏观尺度，难以通过一般CFD计算进行完整问题的求解，因而多尺度分析方法有望成为研究该类问题的有力工具。.本项目以植物群落原型中具有柱状径形态、植株密度为0.01 到0.1 的水生植物为依据将植物群落简化为刚性圆柱群，运用匀质化多尺度理论分析、局部问题数值模拟以及水槽实验验证等手段，开展了波浪环境下柱群中物质输运扩散以及波浪在柱群中传播波能耗散的研究，探索复杂介质中近岸波浪传播和物质输运的多尺度分析方法，揭示近岸波浪通过水生植物群时波能耗散以及营养物污染物的输运扩散规律。.海岸带生态环境、污染物扩散的定量预报依赖于准确的估计浅水长波环境的扩散系数。扩散系数往往依赖于实验和现场测量，与实验条件相关且离散度极大。采用多尺度分析方法分析了潮流作用下群柱内部流场特征：建立了适用于浅水长波作用下柱群内部的湍流模式，通过作用于桩柱上的阻力做功与湍流粘性耗散之间的能量平衡关系给出了单元平均涡粘性系数的计算方法，获得了柱群局部流动平均涡粘系数随雷诺数的变化规律；通过对均匀分布柱群的流场分析，建立了浅水长波环境以群柱为骨架的各向异性多孔介质湍流扩散系数、Taylor扩散系数的理论计算方法，获得了扩散系数随流动参数、群柱几何特征的变化关系，为大范围预报物质扩散过程提供了重要的介质特性参数。.2004印尼海啸后海岸带红树林对波能的耗散作用引起人们的关注。将水生植物群落和珊瑚礁简化为规则排列的没水柱群，通过正应力连续条件匹配柱群上方纯水区势流流动和柱群内粘性流动，开展了表面波与没水柱群相互作用的多尺度理论分析和水槽模型实验，建立了近岸柱群覆盖缓坡地形波浪传播波能耗散和浅化过程的理论模型：这一模型在无植被条件下退化为经典缓坡地形波浪浅化理论，阐述了浅化过程波高增加和柱群引起波高衰减的综合效果；为大范围预报海岸带水生植物群落、珊瑚礁等对波能的耗散提供了理论依据和验证准则。