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基于物理模型实验和XBeach数值模拟的植被消浪研究

刘硕  
【摘要】:近一个世纪以来,滨海湿地在稳定海岸线及保护沿海生态的能力已得到公认并获得广泛关注。湿地植被在风暴潮等海岸灾害发生时可为海岸提供较好保护,有效消减海浪波高、减少海岸侵蚀、降低生命财产损失。然而湿地植被作为抵御风暴潮的一种具有成本效益的替代方案,其对波浪的衰减作用涉及复杂的水动力过程,植被作用下波浪衰减的量化关系尚不明晰,因此进行相关研究具有重要的理论价值和现实意义。结合物理模型实验和XBeach数值模拟,本文量化研究了植被对波高的衰减能力,分析了植被带波高衰减的影响参数,并分别建立了刚性和柔性植被消浪作用下的阻力系数半经验公式。主要研究工作及成果如下:(1)依托波浪实验水槽,开展了三种植被模拟物在13种工况下的波浪衰减实验,同时进行了无植被光滩情况下的对照实验。使用零交叉法,对水槽自由表面处的时间序列波高值进行逐波分析,确定了七个波高测量点处的平均波高值。通过重现波浪实验水槽的平面布置及造波序列,建立XBeach数值模型并率定了植被消浪模块的关键参数,验证结果表明XBeach模型较好地复演了波浪水槽的实验情况。(2)将影响刚性植被消浪的参量分为波浪相关参量和植被相关参量,利用所建立的XBeach数值模型,逐项分析入射波的波高、周期及植被的区域长度、高度、密度、直径等要素对植被水域波浪衰减的影响规律。通过对结果的分析将影响参量整合为波陡系数、植被相对高度系数、植被区域长度和植被系数四个主要参量,植被带的波高衰减能力随波陡系数、植被相对高度系数、植被区域长度和植被系数的增大而增强。(3)通过迭代取值过程,根据数模计算值和物模实测值之间的最佳拟合,确定不同工况时的刚性阻力系数。在刚性阻力系数_()和_()数相关性的基础上,进一步考虑植被相对高度α和波浪波陡系数δ对刚性阻力系数_()的影响,对刚性阻力系数_()的拟合公式进行改进,并利用实测数据得到本文刚性阻力系数改进公式的各拟合系数值,从而获得更精确的刚性阻力系数预测值。(4)综合考虑表征植被茎干柔度的特征参量,对柔性植被阻力系数的影响参量进行分析和筛选,选定弹性模量和植被材质密度为柔性植被对波浪衰减中的主要考虑参量。根据柔性植被的等效阻力系数拟合值,通过文献分析得到刚度和振荡系数(1(1两个无量纲数,建立并拟合柔性植被的刚度和振荡系数(1(1与波浪衰减的阻力系数半经验公式,扩展和提高了XBeach模型对于柔性植被带波浪衰减的模拟精度。


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