波流反向作用下红树林消浪机理的物理模型研究

Mangrove forests have significant wave-damping capacity, and they can provide important coastal protection service. Researches on wave dissipation processes in mangrove forests are crucial for applying them for ecosystem-based coastal defense. It is noted that existing studies only investigated wave dissipation by mangroves in pure waves and wave with following a current. Wave dissipation by mangroves when wave traveling with an opposing current are understudied. We propose to conduct a systematic flume experiment to investigate this processes. The experiment will be conducted to mimic the typical mangrove forests and their hydrodynamic conditions. The velocity profiles in mimic forests will be investigated under pure wave, pure current and wave plus a following/opposing current conditions. Additionally, we will apply a new approach to determine mangrove drag coefficient. With the obtained data, an empirical relation between drag coefficient and Reynolds number can be formulated, which can help quantitative analysis of wave dissipation processes. The tested currents are of different direction and magnitude, and their impact on wave dissipation will be analyzed. Finally, we aim to combine the experiment data with analytical modeling to reveal the mechanism of wave dissipation by vegetation when wave traveling with an opposing current, which will assist the evaluation and utilization of the wave dissipation capacity of mangrove forests.

红树林具显著的消浪防灾功能，对海岸起重要的防护作用。探讨其消浪作用机理，为构建具防浪功能的绿色海岸提供科学依据。现有的红树林消浪研究主要针对纯波浪和波流同向工况，而很少考虑波流反向工况。在波流同向和反向工况下，流速剖面和植被拖拽力系数有显著差异，植被消浪作用随之变化。因此，本项目针对反向流导致植被消浪过程多变的问题，通过物理模型实验，揭示波流反向条件下红树林消浪作用机理。拟在水槽中模拟红树林海岸典型的水动力和植被密度条件，逐步探究在纯波浪、纯水流以及波流同向和反向条件下红树林区域的流速剖面特征；采用新型的直接测定法，探求模拟红树林植被的拖拽力系数，并建立其与雷诺数之间的经验解析关系；对比分析不同流向和流速的水流对植被消浪过程的影响，结合实验数据分析（流速剖面、拖拽力系数和波高衰减等）和理论模型构建，阐明波流反向作用下红树林消浪作用的内在机理，为评估和利用红树林的消浪防灾功能提供科学依据。

本项目针对反向流导致植被消浪过程多变以及复杂流态下的植被拖拽力系数变化的问题，开展了物理模型试验，进行了深入的数据分析，并以实验数据为基础进行相关数值模型研究，揭示波流正反向条件下的植物消浪特征。实验结果显示，对于刚性植物，反向流和正向流都可能增加或者减小植物消浪的效能。但相比于正向流，绝大部分反向流都会促进植物消浪，特别是在植物淹没的情况下。同时我们的实验揭示了不同波流工况下红树林中流速剖面以及拖拽力系数变化的规律，这些规律对于植物消浪模型的研发非常重要。本项目基于模型结果，研发了植物消浪的理论和数值模型（SWASH植物消浪模块），可对植物消浪过程进行较精细化模拟，相关研究成果可为评价红树林海岸在真实复杂条件下的防灾功能提供科学依据。根据项目总体安排，项目的预期研究目标已完成，目前由该项目资助的SCI期刊论文达到10篇，其中第一标注论文3篇，第二标注论文3篇，第三标注论文4篇；依托本项目研究，指导本科论文一篇。根据本项目授权实用新型专利1项，授权发明专利2项。已授权发明专利《用于模拟植被消浪机理的实验系统》和《植被拖拽力系数测量方法、装置、计算机设备和存储介质》预期可为进一步开展植物消浪的物理模型实验提供技术支撑。相关研究成果在生态海岸的建设中具有一定的应用前景。