露出水面冠层植被引起波浪衰减与流动特征的实验与数值研究

《Coastal Engineering》：Experimental and numerical study of wave attenuation and flow characteristics induced by emergent canopy vegetation

　　

**摘要**

红树林作为高效的天然海岸屏障，通过耗散波浪能量发挥重要作用，是海岸防护和生态系统稳定性的关键生物屏障及基于自然的解决方案。为探究复杂树冠构型对水文动力学衰减的影响，本研究建立并研究了两种不同的红树林表示模型——树冠模型和茎干模型——并在两种不同的驱动机制下进行分析：规则波和单向稳态流。研究采用数值模拟与实验相结合的混合方法，利用长度为4.5米的红树林装置开展实验。实验条件包括相对水深（h/L）为0.123–0.331，波陡（H/L）为0.0201–0.0793，以及三种入流速度情景。结果表明，随着树冠浸没程度增加，波浪衰减显著增强，该过程主要受水深和植被形态的控制。本研究提出了一种水力浸没体积指数（ψ），用于整合实验波浪衰减观测结果；该指数并非一种广泛适用的预测参数化方案，而是作为一种优化的拟合变量，用于表征本文所探究的特定实验条件下挺立型植被的波浪衰减特性。对于所测试的刚性挺立型植被实验装置，通过定义Keulegan-Carpenter数（KC，R2=0.92，针对合并数据集）并采用树冠特征尺度，改进了整体阻力系数的经验拟合效果。本研究结果为垂直非均质性如何影响理想化植被阵列中的波浪衰减提供了构型特定的实验证据。

**引言**

海岸植被生态系统，特别是红树林，通过流-植被相互作用耗散波浪能量并削弱风暴潮，为沿海地区提供综合防护（Hang等，2025；Liu和Wang，2024；Yin等，2023）。近年来，众多研究致力于评估这些红树林环境中的波高削减和流速衰减效应（Hang等，2025；van Veelen等，2020）。多项研究表明，红树林能有效降低风暴波浪强度，从而减少海岸结构的波浪爬升和越浪量，而淹没型植被则显著改变浅水环境中的水流动力学（Hu等，2025；Malothu等，2025）。与无植被河床相比，红树林系统的波浪能量耗散能力高出3至5倍，使得即使是相对狭窄的红树林带也能提供显著的海岸防护（Maza等，2019；Zhang等，2012；Zhang等，2023）。灾后评估表明，位于茂密红树林后方的沿海社区所遭受的损害明显更低（Wang等，2022）。此外，实地调查将红树林量化为摩擦阻力的附加来源，显示海底有效摩擦增加了5至7.5倍（Lu等，2024；Quartel等，2007）。这一增强结果与Mullarney等（2017）早前报告的发现相一致。尽管这一衰减能力已被广泛认可，但相关过程背后的精确水文动力学机制仍需进一步明确量化。

鉴于红树林在海岸防护中的重要性，其相关的水文动力学衰减效应已得到广泛研究。波浪衰减效率受水文因素（包括水深和波谱）以及植被属性（如生物力学特性、群落密度和结构形态）的控制（He等，2019；Van Dang等，2025；van Wesenbeeck等，2025；Zhang等，2023）。与此同时，淹没型植被产生的湍流增强和涡旋形成会显著改变水流特性，尤其在浅水条件下（John等，2024；Mals等，2025；Ren等，2021）。在实验研究中，红树林常被简化为均匀刚性圆柱体表示（Phan等，2019；Yao等，2018；Yin等，2020）。然而，这种近似无法捕捉其具有物种依赖性的垂直形态特征。红树林结构通常由三个垂直层次组成：树冠、茎干和根系。已有研究表明，植被密度的垂直变化显著影响波浪衰减（Lou等，2018；Lu等，2024）。既往研究已充分探讨了植被垂直非均质性的影响，包括正面面积分布、形态依赖的阻力和垂直湍流结构（Liu和Wang，2024；Maza等，2019；Mendez和Losada，2004）。在这些基础框架之上，进一步探索特定简化刚性树冠构型的实验数据集对于完善参数模型仍然具有重要价值。

本研究采用包含简化树冠结构的刚性植被表示方法，以探究缺乏复杂根系系统的红树林的波浪衰减特性及相应的水文动力学变化。水文动力学相互作用受结构柔性和浸没程度的强烈影响。Augustin等（2009）报告指出，挺立型植被耗散的波浪能量大于近挺立条件下的植被耗散量；这归因于更高的体积茎干占用率。在挺立条件下，阻力系数表现出对雷诺数（Re）的更强依赖性，而在近挺立条件下，则与Keulegan-Carpenter（KC）数具有更好的相关性。准确估算树冠阻力对于正确表征植被环境中的水文动力学至关重要。Zhang等（2023）表明，红树林树冠在波浪能量衰减方面比淹没的茎干和根系贡献更为有效。密集树冠区域内增强的流体混合已被确认为导致水流弥散增强的主要因素（Fathi-Maghadam和Kouwen，1997；Poggi等，2004；Tanino和Nepf，2008）。此外，密集排列还会产生显著的遮蔽效应（或尾流干扰）。在密集树冠中，上游茎干遮蔽下游元素，降低了局部入流速度和每根茎干的湍流耗散。Liu等（2018）报告指出，植被密度控制尾流结构的转变，产生复杂结构并改变湍流特性。John等（2024）利用三维数值模拟并结合声学多普勒流速仪测量，证明了淹没型刚性植被斑块显著影响明渠流中的关键水文动力学变量，包括流速、湍流强度和雷诺剪应力。尽管已有研究增进了对植被水文动力学的理解，但仍需进一步研究以阐明复杂植被结构影响波浪和潮流行为的机制。

总体而言，本研究在现有垂直红树林形态分析框架的基础上，引入了一个利用简化刚性树冠构型的额外水槽实验数据集。本研究的贡献在于提供了一个额外的实验数据集，有助于评估与不同垂直植被组成部分相关的水文动力学效应。根据野外观测结果，本研究采用定制化刚性模型，评估了挺立树冠的纳入对规则波衰减和稳态流动平均流型的影响差异。本研究的总体目标是探究在两种不同驱动机制下简化刚性树冠构型的水文动力学衰减。具体目标如下：(i) 量化水深和复杂树冠构型在规则波条件下对波浪衰减的影响；(ii) 表征整体阻力系数（CD）并评估其与所测试水文动力学和形态参数的关系；(iii) 采用经基线实验情景校准的数值模型，定性研究不同植被构型下的纵向流速剖面并评估其对水流调制的影响。本研究成果为现有垂直植被形态证据增加了实验尺度数据集，可为未来经野外验证的红树林修复和重植研究中树冠表示方法提供借鉴。

本文结构如下。第2节概述理论框架，包括波浪衰减的分析公式以及描述植被-水流相互作用的三维瞬态模型。第3节详述植被模型设计、水槽实验配置及数据处理方法。第4节呈现结果并对挺立型红树林树冠的水文动力学效应进行综合讨论，包括波浪衰减和垂直结构变化对流场的影响。第5节总结结论并讨论未来研究方向。

**2. 植被引起的波浪衰减**

植被环境中受波浪作用的水文动力学过程本质上是复杂的。在植被引起的阻力控制能量耗散的假设下，该耗散可表示为基于能量守恒原理推导的平均能量通量梯度。

其中，ε_D表示单位水平面积上的时间平均能量耗散，E表示波浪能量密度（= 1/8 ρgH2），c_g对应群速。

**3. 实验装置**

实验在中国国家海洋环境监测中心非线性波流水槽中进行。水槽的长、宽、深分别为80米、1.5米和2.0米。规则波在水槽一端通过铰接式波浪发生器产生。水槽中安装了主动波浪吸收系统。水槽末端配备波浪吸收沙滩，波浪耗散效率超过95%（图1）。

**4. 波浪衰减性能**

本节考察红树林中的波浪衰减，其中波浪阻尼系数β由测量的波高通过式(4)确定。该参数对于量化植被区域内波高衰减至关重要，β值越高对应于植被引起的能量耗散越强。植被区域内的波高H(x)利用植被上游边缘（x=0）处的入射波高H_0进行归一化。

**5. 结论**

本研究将规则波水槽实验与三维雷诺平均数值模型相结合，考察刚性树冠结构如何影响波浪衰减、整体阻力和稳态水流。实验条件涵盖相对水深（h/L）从0.123至0.331，波陡（H/L）从0.0201至0.0793，同时改变水深以评估树冠浸没比对波浪衰减的影响。对于稳态流分析，……

**CRediT作者贡献声明**

黄景明：撰写——审阅与编辑，调查。梁冰辰：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。王开元：撰写——审阅与编辑，可视化，软件，调查。冯智方：撰写——审阅与编辑，监督，方法学。王兆伟：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。王环：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，形式分析，数据管理。尤在进：……

**未引用参考文献**

Guo和Liu, 2023; Lin等, 2023; Liu等, 2021; Yu等, 2019。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**数据可用性**

数据可根据要求提供。

**竞争利益声明**

? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

感谢中国国家重点研发计划（2023YFC3007900）和中央高校基本科研业务费专项资金（3132023504）的资助。

王环|冯智方|王兆伟|王开元|黄景明|梁冰辰|尤在进

大连海事大学环境科学与工程学院，中国大连 116026