一种研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物互馈的模拟方法

本发明属于海洋与海岸工程及物理模型实验，特别涉及一种研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物互馈的模拟方法。

背景技术：

1、在全球气候变化和沿海地区经济快速发展的背景下，海洋动力灾害对海岸带的威胁日益加剧，海岸防护与生态保护成为亟待解决的重要问题，研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物之间的互馈关系至关重要。

2、海洋动力灾害，如风暴潮、巨浪等，具有强大的破坏力。近年来，极端海洋动力灾害事件频发，给沿海地区带来了巨大的经济损失和人员伤亡。传统的海岸防护工程，如刚性的海堤、防波堤等，虽能在一定程度上抵御灾害，但存在诸多弊端。这些结构往往生态适应性差，阻断了海洋与陆地之间的生态联系，破坏了海岸带的自然生态系统，影响了生物多样性。而且其动态响应能力有限，面对日益复杂和极端的海洋动力灾害，防护效果逐渐难以满足需求。

3、植被在海岸带生态系统中扮演着重要角色，红树林、盐沼植物等不仅为众多生物提供栖息地，还具有消浪护岸的功能。植被通过自身的形态结构，如枝干、叶片等，增加水流阻力，消耗波浪能量，减缓水流速度，从而有效降低海洋动力灾害对海岸的冲击力，减少海岸侵蚀。然而，目前对于植被在海洋动力灾害防护中的作用机制，认识还不够深入，其消浪护岸的量化关系尚不明确，难以在实际海岸防护工程中进行精准应用。

4、随着生态保护理念的深入人心，生态化海岸防护工程受到越来越多的关注。具有透水特征的人工礁体等新型海岸防护结构应运而生，这类结构在兼顾防护功能的同时，还能促进海洋生物多样性的提升和渔业资源的增殖，实现生态效益与防护功能的多目标协同。但由于其结构和水动力相互作用的复杂性，其消浪机理、波能耗散规律以及与植被、海岸之间的互馈关系尚未完全明晰，限制了其在实际工程中的优化设计和广泛应用。

5、在研究方法方面，以往对海洋动力灾害、海岸、植被和构筑物的研究多为孤立进行，缺乏系统性和综合性。单一研究无法全面揭示它们之间复杂的相互作用关系，难以准确评估海岸带在多种因素共同作用下的演变趋势。数值模拟虽然能够对一些复杂过程进行初步分析，但由于海洋环境的高度复杂性，存在诸多不确定性因素，模拟结果的准确性和可靠性有待提高。物理模型实验作为研究海洋动力过程的重要手段，能够直观地再现各种物理现象，获取详细的实验数据，为理论研究和数值模拟提供验证和支撑。然而，现有的物理模型实验体系不够完善，缺乏针对海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物互馈过程的系统性研究，无法满足实际工程和科学研究的需求。

6、综上所述，目前在海洋动力灾害防护和海岸带生态保护领域，迫切需要一种能够系统研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物互馈关系的模拟方法，以深入揭示其内在机制，为生态化海岸防护工程的设计、优化和评估提供科学依据，提升海岸带应对海洋动力灾害的能力，实现海岸带的可持续发展。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物互馈的模拟方法。该方法通过构建物理模型实验体系，开展相关物理模型实验，深入研究各要素之间的相互作用机制和影响规律，为生态化海岸防护工程提供理论支持和技术参考。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、本发明提供了一种研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物互馈的模拟方法，包括以下步骤：

4、步骤1，物理模型实验体系的构建：

5、构建植被-构筑物-岸滩多要素耦合的消波弱流物理模型实验体系，设计包含植被消浪、构筑物消浪以及植被-透水式人工礁体耦合防护岸滩的物理模型；

6、其中，植物消浪物理模型实验基于非线性波流水槽构建，水槽中部植被区铺设穿孔亚克力板，用于固定植被；

7、构筑物消浪物理模型实验基于非线性波流水槽构建，水槽中部设置若干透水式人工礁体；

8、植被-透水式人工礁体耦合防护岸滩的物理模型实验基于非线性波流水槽构建。

9、步骤2，植被消浪物理模型实验：

10、在非线性波流水槽中，设置不同水动力参数和植被参数工况，测量包括入射波高、透射波高、植被区沿程波高和流速在内的数据，分析水动力和植被参数对波能耗散、流速衰减的作用机制，确定波浪衰减系数、植被拖曳力系数与相关无量纲参数的关系；

11、具体包括：

12、s21，水动力要素影响分析：通过对比不同水深下有冠及无冠植被的波浪衰减系数β，得出植被在不同淹没度下的消浪效果差异；

13、植被场内的波高衰减表示为：

14、

15、式中，h(x)为沿植被区测量的局部波高，h0为x/lv＝0位置的波高，β为波浪衰减系数，x为距植被区起始点位置的距离；

16、波浪衰减系数β的计算公式为：

17、

18、式中，h0为x/lv＝0位置的波高，cd为植被拖曳力系数，d为直径，nv为植被分布密度，k＝2π/l为波数，l为波长，h为水深，α＝hv/h表示淹没比，hv为植被高度；

19、s22，植被参数要素影响分析：通过对比有冠和无冠植被不同密度下沿程相对波高，探究植被淹没投影面积大小与植被消浪之间的关系；通过对比有无冠层植被在典型密度、相同水动力条件下随植被区长度的改变的波高衰减情况，探究植被区长度改变对波浪衰减的影响；

20、s23，关键无量纲参数识别：结合植物消浪物理模型实验及理论公式的逐步求解，探索实验条件下的cd与相关参数之间的拟合关系式；

21、有冠植物模型下，拟合关系式表达为：

22、cd＝4.23×106re-1.837+3.776

23、式中，re为雷诺数；

24、无冠植物模型下，拟合关系式表达为：

25、cd＝78.21kc-0.015-71.53

26、式中，kc为keulegan–carpenter数，是一个无量纲数。

27、步骤3，构筑物消浪物理模型实验：

28、以透水式人工礁体为研究对象，设计不同水动力要素和礁体结构参数工况，测量波浪沿程变化数据，计算反射系数kr和透射系数kt，研究包括礁体间距、排布方式在内的因素对波能耗散和流速衰减的影响，拟合得到透射系数经验公式：

29、

30、式中，kt为构筑物波浪透射系数，b/le为礁区总长度与构筑物特征波长的无量纲参数；h0/h0为入射波高与堤顶水深的比值。

31、步骤4，植被-透水式人工礁体耦合防护岸滩的物理模型实验：

32、在非线性波流水槽中，设置不同水位、规则波、透水式人工礁体参数和植被参数工况，持续观测砂质海岸沙滩剖面演化形态，分别分析在无防护措施下、透水式人工礁体防护下、植被-透水式人工礁体协同防护下波浪要素对岸滩演变的影响规律。

33、本发明的优点和有益效果是：

34、1、本发明构建的多要素耦合的物理模型实验体系，能够系统地研究海洋动力灾害-海岸-植被-构筑物之间的互馈关系，为深入理解其内在机制提供了有力的工具。

35、2、本发明通过开展植被消浪、构筑物消浪以及植被-透水式人工礁体耦合防护岸滩的物理模型实验，获取了大量详细的实验数据，明确了各要素对波流衰减和岸滩演变的影响规律，为生态化海岸防护工程的设计和优化提供了科学依据。

36、3、本发明拟合得到的透水构筑物消浪透射系数经验公式，具有重要的工程应用价值，能够在实际工程中快速估算透射系数，为人工礁体的设计提供参考。

37、4、本发明的模拟方法有助于推动海岸带生态保护和可持续发展，提高海岸带抵御海洋动力灾害的能力，具有显著的经济和社会效益。