CN114232559B - 岸滩植物修复防护模拟装置及岸滩植物修复防护试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岸滩植物修复防护模拟装置和岸滩植物修复防护试验方法。该岸滩植物修复防护模拟装置包括：造波机、消浪件、第一护脚件、种植土、植物模型、护滩件、第二护脚件和堤坝；造波机与堤坝相对且间隔设置，消浪件、第一护脚件、种植土及第二护脚件依次设置于造波机与堤坝之间，第二护脚件接触于堤坝朝向造波机的一侧表面设置，护滩件设置于种植土上，植物模型栽种于种植土中。该岸滩植物修复防护模拟装置更加符合岸滩植物修复过程的实际情况，有助于实验人员了解实地环境下的岸滩变化情况。

Description

岸滩植物修复防护模拟装置及岸滩植物修复防护试验方法

技术领域

本发明涉及水生态修复模型技术领域，特别是涉及一种岸滩植物修复防护模拟装置及岸滩植物修复防护试验方法。

背景技术

红树林是生长在海岸潮间带，由红树植物为主体的常绿乔木或灌木组成的湿地木本植物群落，在净化海水、防风消浪、固碳储碳、维护生物多样性等方面发挥着重要作用。然而，随着近年来沿海地区的高速发展，滨海地区的土地得到了大规模开发，在取得巨大经济效益的同时，也对海岸带原有的生态系统产生了干扰甚至破坏。因此，推进退围还海还滩、岸滩修复及红树林等典型海洋生态系统保护修复对于海湾、河口等地的生态环境具有重要意义。

红树林一般生长在海岸带的潮间带区域，多受波浪影响，在红树林幼苗种植修复过程中，尤其注重红树林种植区域的水动力条件，水流、波浪条件是影响红树林生长的重要因素，水流流速及波浪动力较强时容易引起红树林种植滩涂的冲刷。为了科学评价红树林生长防护措施的消浪、固滩措施效果和合适的规模，需通过物理模型试验进行研究。传统技术中通常着重于研究岸滩植物对波浪的消浪和弱流作用，尚未有试验装置考虑到如何对岸滩植物幼苗的防护进行概化和模拟。

发明内容

基于此，为了解决岸滩植物修复防护在水动力条件下的模拟问题，有必要提供一种岸滩植物修复防护模拟装置，对应地，提供一种岸滩植物修复防护试验方法。

根据本发明的一个实施例，一种岸滩植物修复防护模拟装置，其包括：造波机、消浪件、第一护脚件、种植土、植物模型、护滩件、第二护脚件和堤坝；

所述造波机与所述堤坝相对且间隔设置，所述消浪件、所述第一护脚件、所述种植土及所述第二护脚件依次设置于所述造波机与所述堤坝之间，所述第二护脚件接触于所述堤坝朝向所述造波机的一侧表面设置，所述护滩件设置于所述种植土上，所述植物模型栽种于所述种植土中。

在其中一个实施例中，还包括树木底座，所述树木底座埋设于所述种植土中，所述植物模型装配于所述树木底座上。

在其中一个实施例中，所述树木底座上具有与所述植物模型的根部相适配的植物装配孔，所述植物模型的根部插入所述植物装配孔中。

在其中一个实施例中，所述植物模型有多株，所述树木底座上存在多个与所述植物模型相对应的植物装配孔。

在其中一个实施例中，还包括第一波浪检测仪和第二波浪检测仪，所述消浪件与所述第二护脚件及所述造波机间隔设置，所述第一波浪检测仪设置于所述消浪件与所述第二护脚件之间，所述第二波浪检测仪设置于所述消浪件与所述造波机之间。

在其中一个实施例中，还包括基座，所述基座具有预设形状的承载面，所述堤坝、所述第一护脚件、所述种植土、所述植物模型、所述第二护脚件和所述消浪件均设置于所述承载面上。

在其中一个实施例中，还包括第三波浪检测仪，所述造波机设置于所述基座外，所述第三波浪检测仪设置于所述造波机与所述第二波浪检测仪之间，所述第二波浪检测仪设置于所述基座的上方，所述第三波浪检测仪设置于所述基座外。

在其中一个实施例中，还包括用于使所述种植土限位的挡土板，所述挡土板设置于所述种植土与所述第一护脚件之间，所述第一护脚件接触所述挡土板设置。

在其中一个实施例中，所述护滩件为土工格室。

在其中一个实施例中，所述消浪件包括潜堤和木桩中的一种或多种。

进一步地，本发明还提供了一种岸滩植物修复防护试验方法，其采用如上述任一实施例所述的岸滩植物修复防护模拟装置，包括试验过程和判断过程；

所述试验过程包括如下步骤：将所述造波机、所述消浪件、所述第一护脚件、所述种植土及所述第二护脚件置于水中；控制所述造波机产生朝向所述堤坝的波浪，对所述种植土进行冲刷试验；待冲刷试验结束后，测量所述种植土的滩面冲刷深度，及进入所述判断过程；

所述判断过程包括如下步骤：根据所述滩面冲刷深度判断植物是否符合立地要求，若不符合立地要求，则对所述岸滩植物修复防护模拟装置进行调整并再次进入所述试验过程。

在其中一个实施例中，在所述判断过程中，对所述岸滩植物修复防护模拟装置进行调整时，调整所述消浪件的类型、所述消浪件的尺寸、所述消浪件所处的位置和/或所述护滩件的类型。

在其中一个实施例中，在控制所述造波机产生波浪的过程中，根据待修复地的波浪参数及JONSWAP谱生成模拟波浪谱，使所述造波机根据所述模拟波浪谱产生波浪。

本发明的岸滩植物修复防护模拟装置具有如下有益效果：

与传统的海岸植物模拟相关的物理模型相比，该岸滩植物修复防护模拟装置综合考虑了岸滩植物、消浪防护措施及滩涂变化等复杂多因素在潮流波浪动力条件下的耦合模拟问题，模型更加符合岸滩植物修复过程的实际情况，有助于实验人员了解实地环境下的岸滩变化情况。并且，该物理模型试验方法可以模拟植物、防护措施、岸滩动态变化响应等多因素相互作用的过程，实现了对植物种植防护措施全过程的响应优化，可以为植物幼苗的生长提供良好的数据和技术设计支撑，有助于避免不合适的修复方法造成岸滩植物修复的失败。

附图说明

图1为岸滩植物修复防护模拟装置的主视图；

图2为岸滩植物修复防护模拟装置的俯视图；

图3为树木模型的结构示意图；

图4为树木底座的结构示意图；

图5为模拟波浪谱和实测波浪谱的对比示意图；

其中，附图中各附图标记及其具体含义如下：

101、造波机；102、消浪件；103、第一护脚件；104、种植土；105、第二护脚件；106、堤坝；107、植物模型；1071、主干；1072、分枝；108、护滩件；109、树木底座；1090、植物装配孔；110、第一波浪检测仪；111、第二波浪检测仪；112、第三波浪检测仪；113、基座；114、挡土板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。文中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。本文所使用的“多”包括两个和多于两个的项目。本文所使用的“某数以上”应当理解为某数及大于某数的范围。

根据本发明的一个实施例，一种岸滩植物修复防护模拟装置，其包括：造波机、消浪件、第一护脚件、种植土、植物模型、护滩件、第二护脚件和堤坝；

造波机与堤坝相对且间隔设置，消浪件、第一护脚件、种植土及第二护脚件依次设置于造波机与堤坝之间，第二护脚件接触于堤坝朝向造波机的一侧表面设置，护滩件设置于种植土上，植物模型栽种于种植土中。

可以理解，上述岸滩植物修复防护模拟装置可以整体设置于容器例如水槽或港池中，在使用时向容器中添加适当水位的水，使得岸滩植物修复防护模拟装置浸于水中，并启动造波机产生预设波型的波浪。

其中，消浪件指的是能够削弱造波机产生的波浪强度的部件或结构，例如，消浪件可以是潜堤。在使用时水下的潜堤能够减弱波浪的冲击，保护在后的种植土和植物模型。种植土设置于第一护脚件和第二护脚件之间，第一护脚件用于防止水流淘刷种植土的底部，能够起到保护种植土整体的形状的作用。第二护脚件紧靠堤坝设置，用于防止水流淘刷堤坝的底部。护滩件设置于种植土上，用于防止种植土表面受到波浪的侵蚀，也能够起到保护种植土整体形状的作用。

其中，堤坝可以是混凝土堤坝。第一护脚件可以是堤角抛石，第二护脚件可以是护脚抛石，堤角抛石和护脚抛石均可以由碎石铺就。潜堤也可以由碎石按照设计形状进行铺设。护滩件可以采用土工格室，采用塑料片材进行制备。植物模型可以按照预设植物的高度按比例缩放设计，植物模型可以采用硬质塑料管或玻璃纤维管等分别作为植物的枝叶、树干，以铁丝、胶水等材料固定组装。

图1示出了上述岸滩植物修复防护模拟装置的一种具体结构的主视图，图2示出了岸滩植物修复防护模拟装置的俯视图。参照图1及图2所示，该岸滩植物修复防护模拟装置包括造波机101、消浪件102、第一护脚件103、种植土104、第二护脚件105、堤坝106、植物模型107和护滩件108。其中，造波机101和堤坝106分设于两端，且造波机101和堤坝106相对设置。自造波机101朝向堤坝106的方向即产生的波浪传播方向，依次设置有消浪件102、第一护脚件103、种植土104和第二护脚件105。种植土104夹设于第一护脚件103和第二护脚件105之间，第二护脚件105接触于堤坝106朝向造波机101的一侧表面设置。

在其中一个具体示例中，消浪件102与第二护脚件105及造波机101间隔设置。设置消浪件102与第二护脚件105及造波机101间隔设置，便于实验人员调节消浪件102与第二护脚件105之间的距离，探究合适的消浪件102与第二护脚件105之间的距离。

在其中一个具体示例中，还包括第一波浪检测仪110和第二波浪检测仪111，第一波浪检测仪110设置于消浪件102与第二护脚件105之间，第二波浪检测仪111设置于消浪件102与造波机101之间。可以理解，波浪检测仪用于实时获取波浪的波高、流速和/或其他所需的参数。第一波浪检测仪110可以用于检测经消浪件102消浪前波浪的参数，第二波浪检测仪111可以用于检测经消浪件102消浪后波浪的参数。

如需要研究的实地无特殊地形要求时，该岸滩植物修复防护模拟装置中的上述各部件可以置于平面基底上。但是经探究发现，许多岸滩的底部存在具有特定形状的地形，地形也会对远处传来的波浪产生影响。此时，参照图1所示，在其中一个具体示例中，该岸滩植物修复防护模拟装置还包括基座113，基座113具有预设形状的承载面，堤坝106、第一护脚件103、种植土104、植物模型107、第二护脚件105和消浪件102均设置于承载面上。为了便于表示，图1中的基座113承载面为边缘具有斜坡的平面，但是该承载面的具体形状可以按照模型的缩放比例尺参照实地地形进行设计。

进一步地，由于承载面的形状会影响波浪的参数，因此参照图1所示，在其中一个具体示例中，还可以进一步设置第三波浪检测仪112，造波机101设置于基座113外，第三波浪检测仪112设置于造波机101与第二波浪检测仪111之间，第二波浪检测仪111设置于基座113的上方，第三波浪检测仪112设置于基座113外。

参照图1所示，在其中一个具体示例中，该岸滩植物修复防护模拟装置还包括用于使种植土104限位的挡土板114，挡土板114设置于种植土104与第一护脚件103之间，第一护脚件103接触挡土板114设置。挡土板114能够起到限制种植土104形状的作用，防止种植土104在波浪的冲刷下逐渐坍塌。

在其中一个具体示例中，护滩件108为土工格室。土工格室不仅能够起到保护种植土104的作用，此外，由于土工格室高度、平面孔距等几何尺寸的改变会影响其具体的工程效果，因此设置土工格室作为护滩件108还能够使实验人员探究护滩件108的具体形状对植物修复效果的影响。

在其中一个具体示例中，消浪件102包括潜堤和木桩中的一种或多种。其中，潜堤可以由碎石按照设计形状进行铺设。

进一步地，在实际情况中，不仅波浪与水流会与植物相互作用，植物与种植土104之间也会有相互作用。传统技术中通常不涉及岸滩植物的修复防护，未考虑种植土的影响，仅将植物模型107简单立于基座113上以模拟植物与水流、波浪的相互作用。然而发明人发现，在考虑岸滩植物的生长修复防护时，植物与种植土104之间的作用也是一个十分重要的因素，因而优选地，还应当进一步模拟植物与种植土104之间的作用。在其中一个具体示例中，该岸滩植物修复防护模拟装置还包括树木底座109，树木底座109埋设于种植土104中，植物模型107装配于树木底座109上。树木底座109埋设于种植土104中，同时植物模型107也装配于树木底座109上，相当于借助树木底座109固定了植物模型107，借助树木底座109的固定功能，受水流、波浪作用时植物模型107能够较好地模拟与种植土104之间的相互作用。

图3示出了一种植物模型107的具体形状，图4示出了树木底座109的具体形状。参照图3所示，植物模型107包括主干1071和分支。参照图4所示，植物装配孔1090上具有植物装配孔1090，植物装配孔1090与植物模型107相适配，即植物模型107的主干1071的下端可以装配于植物装配孔1090中。

进一步地，植物模型107有多株，树木底座109上有多个植物模型107相对应的植物装配孔1090，多个植物模型107装配于一块树木底座109上，以模拟不同岸滩植物修复方案配置不同的种植宽度、密度的情况。

本发明的岸滩植物修复防护模拟装置具有如下有益效果：

与传统的海岸植物模拟相关的物理模型相比，该岸滩植物修复防护模拟装置综合考虑了岸滩植物、消浪防护措施及滩涂变化等复杂多因素在潮流波浪动力条件下的耦合模拟问题，模型更加符合岸滩植物修复过程的实际情况，有助于实验人员了解实地环境下的岸滩变化情况。

上述岸滩植物修复防护模拟装置可以按照如下方法进行制备。

步骤S1，设定模型试验比例尺。

具体地，根据岸滩修复方案、水动力条件及实验设备条件，设定岸滩植物修复防护模拟装置与实地尺寸的试验比例尺。

步骤S2，制作模型材料。

具体地，堤坝可以采用混凝土进行制作。第一护脚件和第二护脚件均可以采用碎石按照预设形状堆砌。挡土板可以采用PVC板材制作模板。消浪件可以是潜堤，潜堤可以采用碎石按设计形状铺设。护滩件为土工格室，可以采用聚乙烯片材进行制作。植物模型可以基于植物白骨壤进行设计，根据实际树高按照试验比例尺进行缩放，植物模型可以采用硬质PVC管或玻璃纤维管等作为材料分别制作植物的枝叶、树干，以铁丝、胶水等材料进行组装成型。树木底座可以采用PVC板材或者有机玻璃板制作，树木底座上的植物装配孔的孔径根据植物模型的杆径确定，需要进行钻孔处理。树木底座前后缘也可设置一定数量的螺纹孔固定在基座上，植物模型制作完成后装配于树木底座中。

步骤S3，选定种植土。

具体地，根据植物修复种植区域的地质类型及条件，依据泥沙粒径、水深条件等地勘参数，确定种植土的泥沙启动条件，选定模型泥沙。

步骤S4，制作基座。

在试验容器底部根据岸滩的实地形状、坡度等，采用沙子和水泥制作地形。造波机可以根据具体需求进行放置。

进一步地，本发明还提供了一种岸滩植物修复防护试验方法，其采用如上述实施例的岸滩植物修复防护模拟装置，包括试验过程和判断过程。其中，试验过程包括如下步骤：将造波机、消浪件、第一护脚件、种植土及第二护脚件置于水中；控制造波机产生朝向堤坝的波浪，对种植土进行冲刷试验；待冲刷试验结束后，测量种植土的滩面冲刷深度，及进入判断过程。判断过程包括如下步骤：根据滩面冲刷深度判断植物是否符合立地要求，若不符合立地要求，则对岸滩植物修复防护模拟装置进行调整并再次进入试验过程。可以理解，倘若滩面冲刷深度过深、高于预设深度，则植物特别是植物幼苗容易被波浪摧毁，不符合立地要求，此时需要调整护滩件和/或消浪件，以对滩面冲刷深度进行优化。

在其中一个具体示例中，在判断过程中，对岸滩植物修复防护模拟装置进行调整时，调整消浪件的类型、消浪件的尺寸、消浪件所处的位置和/或护滩件的类型。其中，可以理解，消浪件的类型可以是潜堤、木桩或其他具有消浪功能的部件。消浪件的尺寸可以是例如潜堤的大小或具体形状。消浪件所处的位置可以是消浪件与种植土之间的距离。护滩件的类型可以是例如土工格室或其他护滩措施型式。

在其中一个具体示例中，在控制造波机产生波浪的过程中，根据待修复地的波浪参数及JONSWAP谱生成模拟波浪谱，使造波机根据模拟波浪谱产生波浪。

其中，JONSWAP谱是一种不规则波浪模拟谱，其表达式为：

其中：

H _s 为有效波高，单位取m，T _p 为谱峰值周期，单位取s，f为谱峰值频率，单位取Hz，γ为谱峰值参数，取3.3。

图5给出了不规则波浪谱的模拟结果对比示例，可以发现模拟波浪谱与实测波浪谱吻合度较高，可以用于不规则波浪的模拟。

该岸滩植物修复防护试验方法依据上述岸滩植物修复防护装置，是一个全过程系统模拟过程，可以根据水动力条件、防护措施等综合作用后滩面冲刷深度变化结果，试验结果反馈到防护措施的优化，如防护措施的尺寸、形状及类型等，通过不断优化防护措施确保滩面的稳定，有助于优化植物幼苗生长适宜条件。所以，该试验方法可以模拟植物、防护措施、滩面动态变化响应等多因素相互作用的过程，实现了对植物修复防护全过程的响应优化，可以为植物幼苗的生长提供良好的数据和技术设计支撑，避免了不合适的修复方法造成海岸带植物修复的失败。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，采用岸滩植物修复防护模拟装置进行，所述岸滩植物修复防护装置包括：造波机、消浪件、第一护脚件、种植土、植物模型、护滩件、第二护脚件和堤坝；

所述造波机与所述堤坝相对且间隔设置，所述消浪件、所述第一护脚件、所述种植土及所述第二护脚件依次设置于所述造波机与所述堤坝之间，所述第二护脚件接触于所述堤坝朝向所述造波机的一侧表面设置，所述护滩件设置于所述种植土上，所述植物模型栽种于所述种植土中；

所述岸滩植物修复防护试验方法包括试验过程和判断过程；

所述试验过程包括如下步骤：将所述造波机、所述消浪件、所述第一护脚件、所述种植土及所述第二护脚件置于水中；控制所述造波机产生朝向所述堤坝的波浪，对所述种植土进行冲刷试验；待冲刷试验结束后，测量所述种植土的滩面冲刷深度，及进入所述判断过程；

所述判断过程包括如下步骤：根据所述滩面冲刷深度判断植物是否符合立地要求，若不符合立地要求，则对所述岸滩植物修复防护模拟装置进行调整并再次进入所述试验过程。

2.根据权利要求1所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，在所述判断过程中，对所述岸滩植物修复防护模拟装置进行调整时，调整所述消浪件的类型、所述消浪件的尺寸、所述消浪件所处的位置和/或所述护滩件的类型。

3.根据权利要求1所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，还包括树木底座，所述树木底座埋设于所述种植土中，所述植物模型装配于所述树木底座上。

4.根据权利要求3所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，所述树木底座上具有与所述植物模型的根部相适配的植物装配孔，所述植物模型的根部插入所述植物装配孔中。

5.根据权利要求4所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，所述植物模型有多株，所述树木底座上存在多个与所述植物模型相对应的植物装配孔。

6.根据权利要求1~5任一项所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，还包括第一波浪检测仪和第二波浪检测仪，所述消浪件与所述第二护脚件及所述造波机间隔设置，所述第一波浪检测仪设置于所述消浪件与所述第二护脚件之间，所述第二波浪检测仪设置于所述消浪件与所述造波机之间。

7.根据权利要求6所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，还包括基座，所述基座具有预设形状的承载面，所述堤坝、所述第一护脚件、所述种植土、所述植物模型、所述第二护脚件和所述消浪件均设置于所述承载面上。

8.根据权利要求7所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，还包括第三波浪检测仪，所述造波机设置于所述基座外，所述第三波浪检测仪设置于所述造波机与所述第二波浪检测仪之间，所述第二波浪检测仪设置于所述基座的上方，所述第三波浪检测仪设置于所述基座外；和/或

还包括用于阻挡所述种植土的挡土板，所述挡土板设置于所述种植土与所述第一护脚件之间。

9.根据权利要求1~5及7~8任一项所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，所述护滩件为土工格室。

10.根据权利要求1~5及7~8任一项所述的岸滩植物修复防护试验方法，其特征在于，所述消浪件包括潜堤和木桩中的一种或多种。

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