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1、精品论文大集合海岸红树林与海啸波相互作用的实验研究王俊 河海大学水利水电工程学院,南京(210098) E-mail:摘要:2004 年 12 月 26 日发生的海啸给印度洋沿岸的亚非 13 个国家造成巨大的财产损失。 然而这场海啸灾难也给人类新的警示。海岸带管理学家、科学家和工程师纷纷在思考人工海 岸防护建筑物减轻海啸破坏的有效性。为了更好地减轻灾害影响,同时要保持良好的生态环 境功能,必须要采用新的防护措施。广泛分布在海岸地区的红树林便成为一个合适的选择。2004 年印度洋海啸过后,多个实地考察报告中,强调了红树林能够消减海啸波,具有保护 海岸带的作用。本文通过实验来研究海啸波通过红树林后
2、透射波和反射波的变化。 关键词:海啸;红树林;透射波;反射波1. 引言2004 年 12 月 26 日发生的印度洋海啸至今令人记忆犹新。这场由苏门答腊地震引起的 巨大灾难,吞噬了近 30 万的生命,造成大约 200 多万人流离失所、无家可归。印度洋沿岸 的亚非 13 个国家蒙受了巨大的经济损失,财产损失总价值大约 60 亿美元1-2。这场海啸灾 难给人类新的警示。海岸带管理学家,科学家和工程师纷纷在思考人工的海岸防护建筑物是 否能够有效减低海啸破坏和由此引发的一系列悲剧。为了更好地减轻灾害影响,同时要保持 良好的生态环境功能,必须要采用新的防护措施。而这些措施应该能够适应于各个海岸带地 区,统
3、筹考虑天然的和人工的综合作用。红树林便成为合适的选择。红树林是广泛分布在热带与亚热带的海岸地区的生态系统,能够保护海岸带免受涌浪和 潮汐流的破坏。2004 年印度洋海啸过后,多个实地考察报告中,强调了红树林能够消减海 啸波,具有保护海岸带的作用。本文通过实验来研究海啸波通过红树林后的透射波和反射波 的变化。2. 实验设计2.1实验模拟系统本文所有实验都是在长 32m,宽 54cm,深 60cm 的平底水槽中进行的,水槽边壁为普 通透明玻璃,断面为矩形。水槽中部位置底板上放置一块长 30cm,宽 52cm,厚 1cm 的有 机玻璃板。有机玻璃板上钻有直径为 1cm 的圆孔,沿波浪传播方向相邻两排
4、孔的间距为 2cm, 沿水槽横断面方向相邻两排孔的间距为 4cm。这块有机玻璃板作为安放红树林模型的基础。 在模型的前面和后面分别放上两个浪高仪,用来测量波高。实验具体装置如图 1 所示(图中 S1 到 S4 表示浪高仪)。图 1 实验装置示意图Fig 1 Sketch of experimental setup- 5 -2.2 实验工况本实验采用长度为 20cm、直径为 1cm 的 PVC 圆柱来模拟红树林。在所有工况下,红 树林沿波浪传播方向的间距均采用 4cm;在沿水槽横断面方向的间距有所变化,分别采用2cm 和 4cm,树木沿波浪传播方向对齐,不出现交错排列。根据树林覆盖率定义(单位面
5、积 上的树林投影面积),得到本实验红树林的覆盖率分别为 p=0.098 和 p=0.049。3海啸波是由一系列重力长波组成的。典型的海啸波周期在 3060 分钟。40m 的水深产 生的波长可以达到 72000m,海啸波的波长远远大于水深。因此在本实验中,采用孤立波来 模拟海啸波。孤立波是非线性无色散的,最早是由拉塞尔发现 3-4。孤立波的波面可以用下 面的公式来表示 = H sec h 2 3H(x Ct )4h2h其中 C =gh (1 + H),H 为波高,h 为水深,g 为重力加速度。本实验采用两个水深,h=13cm 和 h=15cm,相应的波高分别从 3cm-6cm 和 3cm-8cm
6、。2.3实验验证和数据采集理论上讲,孤立波是在传播过程中是无衰减的,但是实际上由于粘性和紊动的影响,衰 减是不可避免的。为了检测这个衰减是否影响试验结果,首先在模型安装前对生成的孤立波 进行测试。用浪高仪 S1 和 S4 分别记录波高,得到的结果与理论值进行对,如图 2 所示。从图中可以看出,实测的波高比理论值大一点。相距 6.3m 的两个浪高仪测量的波高相 差 0.16cm。所以实验结果完全可以忽略这个衰减的影响.当模型安装好以后,S2 用来记录测量入射波和反射波高,S3 用来记录测量的透射波高。图 3 显示的就是在水深 h=15cm,波高 H=7cm 情况下测量的入射波、反射波和透射波。0
7、.0550.0450.035 S1 理论值 S4 理论值S1 实验测量 S4 实验测量A/m0.0250.0150.005-0.005345678910111213141516T/s图 2实测孤立波与理论解的比较Fig 2Measured solitary waves compared with theoretical solitary waves图 3 S2 和 S3 处实测的孤立波波高(实线是 S2 测量波高,虚线是 S3 测量波高)Fig 3Measured solitary wave at two locations S2 and S33. 实验结果本文研究了在两种不同水深 h=13c
8、m 和 h=15cm,不同树林覆盖率 p=0.049 和 p=0.098 下,海啸波穿过红树林后透射波和反射波的变化。为了便于比较分析,所有的波高都用相应 的水深进行无量纲化。图 4 显示的海啸通过红树林后透射波的变化情况。从图中可以看出,透射波高随着入 射波高的增加同步增大;对于同种树林覆盖率下,两个水深下透射波高的变化趋势基本一致。 明显地可以看到,树林覆盖率增大,透射波高减小。0.500.450.400.35Ht/h0.300.250.200.150.100.050.00p=0.049 h=13cm p=0.098 h=13cm p=0.049 h=15cm p=0.098 h=15cm
9、0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60Hi/h图 4透射波高随入射波高变化趋势Fig 4Variation of the transmitted wave height with the incident wave height图 5 显示的是海啸通过红树林后反射波的变化情况。从图中可以看出,反射波的变化 与透射波一样,也是随着入射波高几乎线性增加;但是随着树林覆盖率的增大,反射波高是 增加的。p=0.049 h=13cm p=0.098 h=13cmp=0.049 h=15cm p=0.098 h=15cm0.200.180.160.14Hr/h0.120.10
10、0.080.060.040.020.000.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60Hi/h图 5 反射波高随入射波高变化趋势Fig 5Variation of the reflected wave height with the incident wave height和规则波一样,我们用下式分别定义透射系数 Ct 和反射系数 Cr:Ct=Ht/Hi,Cr=Hr/Hi从图 4 和图 5 中,我们可以计算得到:对于树林覆盖率 p=0.049 时,反射系数 Cr=0.09,透射系数 Ct=0.82;而对于树林覆盖率 p=0.098 时,反射系数 Cr=0.23,透射系数
11、Ct=0.60。4. 结论通过对图 4 和图 5 比较,我们可以知道:(1)海啸穿过红树林后,透射波的大小与水 深无关,仅随着入射波的增大而线性增加;(2)被红树林反射回来的反射波高也与水深无 关,随入射波线性增加;(3)随着树林覆盖率的增加,反射系数增大,透射系数减小。这 有力地说明了利用红树林来减轻海啸灾害是不错的选择。参考文献1Levy,J.K.,Gopalakrishnan,C.,2005.Promotingdisasterresilientcommunities:TheGreat SumatraAndaman earthquake of 26 December 2004 and th
12、e resulting Indian Ocean tsunamiJ. Water Resour. Develop. 21 (4), 543559.2Kathiresan, K., Rajendran, N., 2005. Coastal mangrove forests mitigated tsunamiJ. Estuarine Coast. ShelfSci. 65, 601606.3Sorensen,R.M., Basic Coastal EngineeringM. NewYork: Kluwer Academic Plublication,1997. 4周光坰,严宗毅,许世雄,章克本等,
13、流体力学M. (第二版),北京:高等教育出版社,2000.Experimental Study of Interactions of Tsunami Wave with Coastal MangrovesWang JunCollege of Water Conservancy and Hydropower Engineering Hohai University, Nanjing(210098)AbstractThe Indian Ocean tsunami on 26 December 2004 resulted in a great loss in 13 Asian and African
14、countries. This damage emphasizes the importance of developing methodologies to minimize the impact of future tsunamis and other related natural disasters in order to protect people, the environment, and the infrastructure. For more appropriate management to reduce natural disaster and to keep good
15、environment, it is required that a new countermeasure method corresponding to each coastal area including the combination of artificial and natural functions. One of new ways is to utilize mangrove forest along coast. And most reports emphasize the protective function of coastal mangrove with actual observations after the 2004 tsunami catastrophe. In this study, variation of transmitted and reflected wave is examined when tsunami passed through the mangrove.Keywords: tsunami; mangrove; transmitted wave; reflected wave作者简介: 王俊,男,1983 年生,江苏阜宁人,硕士研究生,主要从事河流泥沙工程与河 流管理研究。
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