1、PDF外文：http:/ 8800 字 出处： Huang Z, Yao Y, Sim S Y, et al. Interaction of solitary waves with emergent, rigid vegetationJ. Ocean Engineering, 2011, 38(10):1080-1088. 孤立波与刚性自然生长植被的相互作用 关键词 ： 刚性植被 红树林 阻力 孤立波 摘要 ： 在这份论文中，我们从数值方面和实验方面论述了孤立波与刚性自 然生长植被的相互作用，实验研究在一个
2、放置了不同长度和不同孔隙率 的植被 模型的波浪水槽中进行。 Boussinesq 方程与植被的对波浪的影响被阻力平方定律 用来模拟波散射和波通过植被的传播。并对由入射波高、植被密度、植被长度 的不同所产生的影响进行了讨论。介绍了关于刚性自然生长植被的平均阻力的 经验公式，并对比了其他可用的数据。提出了刚性植被并和其他可用的一些数 据。论文研究的结论对于研究海岸树林减轻地震灾害作用是很有帮助的。 1、前言 在 2004 年印度洋海啸之后，在科学学术界和新闻报道方面广泛存在一个争 论，那就是海岸植被，
3、特别是红树林，是否能在严重的海啸波地震中起到一个 缓冲区的作用。已经有观察到的数据表明，在 2004 年印度洋海啸中，生长良好 的红树林以带状成群的方式确实能减小海啸波的能量，而且因此在这次海啸中 拯救了一些村庄。 例如， Danielsen et al. (2005)和 Iverson and Prasad (2007) 承 认海岸植被 /红树林的这种保护性作用。 然而，也有一些研究声称，树林带和减 弱海啸的危害之间没有直接的联系。例如， Baird and Keer (2008)质疑海岸植被 在减弱海啸危害
4、方面中所起到的作用。在一些国际捐赠者的资金支持下，一个 6200 万美元的项目已经签署，这个项目将用于恢复和保护 12 个亚非国家的海岸 植被，以防止将来可能发生的海啸 (Baird, 2006)。然而，在海啸中，对于红树林 在保护海岸居住者中所扮演的角色，我们目前对此的理解还远远没有完成。因 此，有紧迫的必要去完整地评估海岸植被在减弱海啸危害方面中所起到的作 用。在评估红树林对于减弱海啸灾害方面的作用效果的时候，由于存在一些有 价值的信息没有被包含在过去的海啸调查中，因此有时候数值模拟是可以帮助 我们理解海啸
5、波和海岸植被之间的相互作用的。 几何参数通常被用来描述海 岸树林的特征，包括树林的宽度（ w） ,单位底 部表面地区树的数量（ Nt），树的平均直径（ dt）。树林的宽度是树林中潮流流 动方向的水平范围， N100 是树林密度的一个度量。另一种描述树林密度的方法 是所谓的树林中固体体积比例 (Tanino and Nepf, 2008)，他的定义式是 = VS V (1) 其中 Vs 是相对于控制体积 V 的所占的固体体积。下面这个相对于水体体积的固体 体积比例 Vw 也常常被用来描述树林的密度 Harada and I
6、mamura, 2001) = VS = = (2) VW 1 当海啸波穿过海岸树林的时候，使海啸波能量减小的最主要的原因是由于 穿过海岸树林而产生的拖曳力所造成的。因此，海岸树林作用的拖曳力模型对 于通过数值模拟来研究海啸波通过海岸植被的作用是很重要的。 当液体流动是垂直统一的时候，作用在单位长度上单一的圆柱形物体（视 为理想化的树干 /树根）的拖曳力可以通过下面的公式来估算。 &nb
7、sp; （ 3） 其中 Cm 是惯性系数； Cd 是单个圆
8、柱形物体的阻力； U（ t）是密度为 的水体做 自由流动时候周围水体的速率。阻力的大小取决于用 Eq 来表示的速率的大小 (3)。在以前的研究中速率 U（ t）的取值都不相同。因此，在数值模拟的时候有 必要要考虑去阻力的平均值。 在以往研究红树林对于减弱海啸波数值模拟方面的研究中，当我们确定每 一棵树的阻力的时候，我们必须要考虑到树林中树与树之间的相互作用。由于 在现有的电脑容量下，详细而精确的树林中树与树之间相互作用的模型是不可 能 的，因此通常用 Cm 表示的平均惯性率和 Cd 表示的平均阻力来流动的海岸树
9、林 之间相互作用的影响。如果在控制体积 V 之中，有 N 个圆柱形物体，而我们把其 中第 i 个圆柱形所测得的拖曳力命名为 。那么总的拖曳力可以用 =1 ()来表 示。对于有代表性的气孔速率 Up(t)。平均惯性率和平均阻力（ Cm 和 Cd）可以被 下面的公式所包含 （ 4） 当平均惯性率和平均阻力已知之后，单位控制体积的拖曳力就可以由下面给出 的公式来估算
10、; （ 5） 这个力也包括在了动量方程中，作为动量方程中的主力。 Nepf (1999) 和 Tanino and Nepf(2008) 用一种与 Eq.(5)相似的方法
11、来定义平均阻力 Cd. 根据 Huang (2010)对通过海岸树林的长波对应能量的损失近似估计有： &nbs
12、p; （ 6） 其中 forest 是能量损耗率， waves 是输入的波能量。树林的密度 Nt 随着树 躯干的直径的增加而减少。 Harada and Kawata (2004)的数据提出了 Ntdt 粗略地代 表松树的常量。 (又见 Harada and Imamura, 2001 and Tanaka et al., 2007)。因 此，控制相对波能量减弱率的最重要的参数是平均
13、阻力 Cd 和树林宽度 W。在最 近十年里，不少学者利用不同类别的自然生长的刚性植被，通过实验装置或者 实验 观察研究平均阻力。 Struve et al. (2003)发现，相对于他们的实验，用孤立的圆柱状物（ Cd=1.2） 的平均阻力不能够得到较好的结果。在他们实验数据中所使用的标准的平均阻 力和浅水变形方程中，他们引进了一种粘性因子。他们平均阻力的取值从 0 到 4.5，这些平均阻力是代表了被投影植被的表面区域。然而，这些数据显示被投 影植被的表面区域和标准平均阻力值之间没有直接的关系，而且存在很大的出
14、 入。 Wu et al. (1999) 研究了一种新的考虑流动深度因素的平均阻力。 水中的和 水下的各种植被模型化 成马毛垫层，这些马毛垫层被用来模拟洪水泛滥的平原 地区的灌木丛林。他们的研究结果表明平均阻力，随着雷诺数的增大而减小， 雷诺数是用平均阻力和水力半径（也就是流动深度）来定义的。在他们的实验 中，雷诺数的强弱取决于平均阻力，而影响平均阻力的主要因素是干雷诺数， 干雷诺数被定义为马毛的直径，这些干雷诺士很小，而且这些马毛之间的距离 非常近，因此，在这些马毛垫层之间的流动可以近似的看作是层流渗流运动。
