基于NSWE-Exner耦合模型的混合海岸防护系统对波浪传播与泥沙侵蚀的协同调控机制研究

《Applied Surface Science》：A coupled Nonlinear Shallow Water Equations — Exner approach for wave–sediment interplay in hybrid coastal defense

本研究针对海岸带侵蚀防护需求，开发了NSWE-Exner耦合模型，通过集成非线性浅水方程与Exner泥沙输运方程，系统评估了红树林与人工结构（珊瑚礁、混凝土防波堤、石笼）的混合防护效能。研究发现红树林-石笼组合可显著降低侵蚀长度24.7%、减少波浪高度0.77%，为海岸带生态-工程协同防护提供了量化设计依据。

　　

随着全球气候变化加剧和海平面上升，海岸带侵蚀已成为威胁沿海社区安全和生态系统稳定性的重大挑战。传统单一结构的防护方式往往存在生态破坏或防护效能不足的局限，而将绿色生态设施（如红树林）与灰色工程结构（如防波堤）相结合的混合防护系统，展现出可持续海岸管理的巨大潜力。然而，这种混合系统对波浪传播动力学和泥沙输运过程的协同调控机制尚不明确，缺乏量化评估模型成为制约其优化设计的瓶颈。

为破解这一难题，研究团队在《Applied Surface Science》发表了创新性研究成果，通过构建耦合非线性浅水方程（NSWE）和Exner方程的数值模型，首次系统模拟了红树林与不同类型人工结构组合下的水动力-泥沙交互过程。该研究不仅验证了模型在模拟湿-干边界和泥沙迁移方面的准确性，还揭示了红树林-石笼组合在侵蚀控制和波浪衰减方面的卓越性能。

研究采用的核心技术方法包括：基于交错网格的有限体积法离散化控制方程、考虑床载和悬移质输运的泥沙运动公式（Meyer-Peter-Müller修正公式和Camenen-Larson公式）、以及针对红树林区域的孔隙度-摩擦系数参数化方案。实验数据验证采用水槽试验（波高55cm，周期2s），通过对比无防护、纯红树林及三种混合方案（红树林+人工珊瑚礁/混凝土防波堤/石笼）的波浪传输系数（K_c, K_t）和侵蚀指标（ΔL_s, Δζ），量化防护效能。

4.1. 波浪在复合梯形潜堤上的传播

通过对比RANS-VOF模型与NSWE模型的模拟结果，发现两者在波高模拟上误差仅0.0013-0.0038m，但NSWE计算效率提高75%，证实了NSWE-Exner耦合模型在模拟波浪-结构相互作用方面的可靠性与高效性。

4.2. 强烈溃坝试验

模拟结果与Fraccarollo实验数据高度吻合（水位RMSE<0.32cm，河床高程RMSE<0.64cm），成功再现了泥沙冲刷和滩肩坍塌过程，验证了模型处理剧烈湿-干边界变化和泥沙迁移的能力。

4.3. 海岸区域的波浪与泥沙演化

红树林单独防护可使侵蚀长度减少2.3%，但与石笼结合后提升至24.7%。石笼通过削弱波能（K_c降低0.77%）和促进泥沙滞留（Δζ减少93%），为红树林生长创造了稳定基底。

4.4. 混合海岸防御导致的泥沙输运动力学

敏感性分析表明：石笼与红树林的间距（L_d/L_m）减小可降低侵蚀深度26%/0.1单位增量；石笼高度（h_b/h_w）增加使波浪衰减效果提升0.074%/0.1单位；而入射波高（H_i/H）增大会导致侵蚀长度增加59.45%/0.1单位，凸显气候变化下混合防护的必要性。

4.5. 现场实施

场尺度模拟（比例尺1:30）显示，经过6小时风暴事件，红树林-石笼系统仍保持显著防护效果（ΔL_s=66m，较无防护减少10.7%），但长期侵蚀趋势表明需结合周期性维护策略。

该研究证实了红树林-石笼混合系统在减少海岸侵蚀和衰减波能方面的协同优势，其通过工程结构削弱波能、生态设施促进泥沙固持的双重机制，为应对气候变化的适应性海岸防护提供了新范式。模型的高度可扩展性可用于优化不同水文泥沙条件下的结构参数，而研究揭示的波高增加与侵蚀加剧的正反馈关系，凸显了在气候变化背景下推广混合防护系统的紧迫性。未来研究需拓展至二维模拟并纳入生物地球化学过程，以全面评估生态-工程系统的长期可持续性。