海岸植被防護機制的物理模型試驗研究進展

匡翠萍， 叢 新， 范家棟， 李宏義

（同濟大學 土木工程學院，上海 200092）

由于人們對海岸資源的過度開發利用，自然岸線受到嚴重損害，再加上氣候變化條件下的極端海洋災害頻發，部分海岸尤其是砂質海岸嚴重蝕退。海岸生態環境越來越受到人們重視，2020 年國家發展改革委和自然資源部發布的2021～ 2035年《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃》中，明確提出全面保護自然岸線，重點推動典型海洋生態類型的系統保護和修復，綜合開展岸線岸灘修復、生境保護修復、生態災害防治、海洋保護地建設等，提高抵御海洋災害的能力。力爭2035 年我國海洋生態惡化的狀況得到全面扭轉，自然海岸保有率不低于35%。

在海岸保護的生態工程解決方案中離不開植被，保護、恢復和利用沿海植被生境，是一項很有前途的戰略，具有顯著的減緩和適應氣候變化的能力[1］。在遵循生態系統的整體性與系統性的同時，研究其內在響應規律有利于更科學地理解自然海岸的動力地貌演變規律，并對植被生態修復工程提供重要指導，研究方法主要包括物理模型試驗、現場觀測及數值模擬，而物理模型試驗具有可簡化和純化研究過程、可控制研究條件、可再現和重復研究過程等優點，因此大量學者采用了該研究方法。

本文僅針對使用此方法的相關研究作了進展綜述。首先對物理模型試驗中常用的植被描述方法進行了簡要介紹，然后分別從水動力、泥沙運動的角度論述了植被的影響，最后結合現有成果，提出了海岸植被生態防護機制物理模型試驗研究的未來方向，以期為海岸生態防護工程和相關科學研究提供參考。

1 植被的描述方法

實際生態環境中植被多種多樣，試驗前必須首先確定研究區域的代表植物種類及形態，選取的代表植物既要便于物理模型試驗的進行，又要盡量與實際植物相似。

物理模型試驗模擬的植被分類主要概括為以下三種不同方法：一是按照植被剛度劃分為柔性植被和剛性植被；二是按照植被與水深關系劃分為挺水植被、沉水植被和浮式植被；三是按照植被生物性狀可劃分為草本、禾本和木本植被。具體海岸植被分區分類示意如圖1所示。

植被狀態的描述主要分為淹沒與非淹沒狀態，當水深與植被高度相當時，具有一定柔性的植物受水流影響時而挺水時而沉水，根據挺水或沉水優勢可進一步劃分，具體如表1 所示。對于植被分布特征的描述方法，最常見的主要是植被的密度，本文介紹以下三種描述方法：植被固相體積分數φ（式（1）[2］）、植被前緣面積參數φ*（式（2）[3］）、植被長度參數η（式（3）[4］），式（1）和（2）適用于規則的圓柱形植被，而式（3）則還需要植被按一定的規則排布。此外，對植被特征的描述方法還有很多，包括Wu 等[5］提出的相對剛度概念，用來判別植被的變形狀態；王祥斌等[6］使用的表征植被彎曲變形程度和實際淹沒程度的相對有效高度（植被高度與水深的比值）；蔣昌波等[7］采用的表征植物排列方式的植物排列系數，及表征植被分布密度和排列方式綜合影響的植物綜合系數等。

表1 植物分類及狀態描述Tab. 1 Classification and description of vegetation

式中：m為單位床面面積內植被莖干數量；dv為單顆植被莖干直徑；α為單位草甸體積的植被前緣面積；h為植被高度；n為水動力方向上植被總行數；Δx、Δz分別為平行、垂直于水動力方向的兩個連續植被莖干之間的距離。

對于模型植物材料的選擇，由于相同條件下不同植被材料的消浪特性也不同，需要針對模擬的實體植物的形態大小和性質確定，常用的材料有木棒（包括竹棒、竹簽）、塑料、實體植物等，也有學者直接采用現場植被攜帶其生長底質的移植方式，或者通過培養箱直接栽培育苗的方式進行試驗，幾種典型試驗植被形式如圖2所示。

圖2 幾種試驗植被形式示意[8-11］Fig. 2 Several types of experimental vegetation

2 植被對水動力的影響

基于生態系統恢復的植被海岸防護工程被認為是更好更可持續的方法之一，不同動力環境（潮流、波浪、床面形態等）與不同植被特性（布置密度、根莖葉特征、分布形式等）之間的相互作用機理成為各國學者們研究的熱點話題，而植被對水動力環境的影響是其他相關研究的基礎，本節綜述了植被作用下水動力環境的響應特征，包括潮流、波浪及波流耦合條件。

2.1 流場結構

本節將從兩種植被類型：沉水植被和挺水植被展開對流暢結構的研究。

2.1.1 沉水植被影響

水流在沉水海草植被作用下由于底部阻力作用產生尾流效應，因而具有掩護效果，如圖3 所示，植被區內及植被區后方均產生不同形式的紊動和渦流。Villanueva 等[12］研究發現生態恢復工程在低流量區域將產生更大的掩護距離，能更好地保護并提供良好的生境。此外，隨著植被布置橫向寬度逐漸變窄，流速調整長度更短、冠層內流速更小[11］。海草往往具有不同程度的柔韌性，水流經過時，他們通過改變姿態與流場相互作用。Taphorn 等[13］采用不同力學和形態特征的單個植物模型來模擬海草，研究其對流場的影響，提出了流速衰減率與植被抗彎剛度、浮力和特征直徑之間的經驗關系，并發現人工柔性海草引起的渦旋脫落頻率低于剛性圓柱形結構。因此，人工海草草甸設計中需要考慮植被彈性模量、浮力和橫截面尺寸三個主要表征特性。

圖3 簇狀沉水植被主導的水流結構示意[14］Fig. 3 Flow structure dominated by cluster submerged vegetation

隨著研究的逐漸深入，逐漸涌現出針對海岸帶波流耦合條件下的研究，針對沉水剛性植被，布置較稠密時，波流耦合條件下的平均流速明顯低于純流條件；而布置較稀疏時，與純流相比，波流耦合平均流速在底層減小，在上層增加[15］。實際環境下的植被密度不止表現在水平面上，還在垂向上有所變化[16］，對于垂向變化密度的植被，純波作用時的冠層頂部剪應力較小，因此速度及湍流垂向分布較平滑；純流和波流組合作用時，由于冠層頂的不均一，冠層尺度紊動（由于冠層頂部阻力不連續產生）貫穿整個水體，波流耦合紊動能比純流條件下略有下降，尤其是在接近底部的位置。

2.1.2 挺水植被影響

挺水植被往往分布于較沉水植被更淺水的海岸區域，不同形態的植被具有不同的莖干及葉片結構，分布形式也各不相同。當植被不完全布滿整個水槽寬度時，植被區流速結構在縱向上（水流方向）與并列的空槽區具有不同趨勢，但他們具有相同的縱向調整距離[17］。Xu 等[18］考慮了兩種不同真實形態的模擬植被：葉片束集在基部、葉片均勻分布在莖干。對于葉片束集在基部的情況，距離床面越遠，前緣面積越大，流速、湍渦、紊動能均越??；而對于葉片垂向均勻分布于莖干的植被，流速、湍渦、紊動能的垂向分布是基本均一的。對于紅樹林海岸，分布較密集的呼吸根對護岸具有重要意義。非均一高度的真實呼吸根有效減小了冠層剪切強度，并使得最大紊動向上方移動，移動距離約為呼吸根高度的標準差；均一高度的模擬木釘呼吸根條件下的床面剪應力達到相同密度下真實呼吸根條件的2 倍，這將會導致對泥沙沉積效率的低估。同時，冠層內流速與冠層上方自由流速的比值不隨呼吸根高度、形狀、空間分布而明顯改變[19］。

2.2 消浪特征

消浪特征可通過波高、波壓力、波浪爬高、波能等表征，除了針對一般情況下的規則波與不規則波的研究以外，還有針對海嘯波（孤立波）等不同形式波浪的研究。

通常情況下，植物的冠部消波能力最強，其次為桿部和根部，且植物密度越大、相對寬度越大，消波效能越高，但消波效果的增速會隨之放緩[20］。除此以外，消浪效果還與植物的分布方式有關，彭浩等[21］發現波浪衰減效果隨入射波高、植被縱向寬度的增大而增大，且植被由淹沒狀態到非淹沒狀態時，消浪效果隨植被高度的增大而增強[22］。對于浮式植被的消浪裝置，在植物帶高度大于波高的前提下，同樣地，植物帶密度和相對寬度（B/L：B為裝置寬度，L為波長）是影響消浪效果的最重要因素[23］。對于樹狀防浪林來說，水深與樹干樹冠高度的相對關系均在不同程度上影響消浪效果，在同一相對水深條件下，植被的冠干比越大，消浪效果越好，防浪林的波浪衰減系數越大[24］。波浪受到植被影響后，不同頻域的波能也發生轉變，規則波作用下，植物區產生相對于主頻的二倍頻波浪，隨著波浪穿過植被區，諧波能量向主頻波浪轉移[25］。另外，波壓力也是反應波浪特征的重要參數，在海堤前布置柔性植物能有效減小作用在海堤上最大波壓力，且最大波壓力消減系數在柔性植物高度與試驗水深一致時達到最大[26］。植被柔韌性是波浪－植被相互作用中控制波浪衰減和速度結構的重要參數。柔性植被由于搖曳作用造成的波浪衰減較剛性植被弱，剛性植被改變了速度結構而柔性植被沒有。具體來說，在波浪傳播方向上，剛性植被冠層內誘導了一種流動，且在冠層上方水平方向的速度被放大[27］。

波浪衰減作用同樣受到近岸水流的影響，因此波流耦合條件的波浪衰減特征也是一個重要的更貼合實際的研究方向。Zhang 等[28］發現形似互花米草的柔性模型植被的波能耗散取決于水流流速（Uc）與波速（Uw）的比值，與純波條件相比，較大Uc/Uw值可加強波能耗散。進一步地，Hu等[29］使用木棒模擬紅樹林并考慮了波流同向及波流反向條件，研究發現同向強流將加強植被區內波浪耗散，而隨反向流的增加，與同向流相比，植被內波浪耗散被提高到更高水平。在大尺度場地和足夠大的水深條件下，Lara等[8］和Maza 等[30］使用真實植被進行了研究，結果同樣表明波流同向時波浪衰減較小，波流反向時波浪衰減增加。

海嘯波的首波與孤立波相近，因此孤立波成為研究海嘯波首波的方式。與規則波或隨機波類似，Gong等[31］以水槽試驗數據為基礎，研究發現與植被相對寬度和相對高度相比，增大植被密度對波高衰減更有效。曾思益等[32］則基于根莖葉定量概化模型探究了植物根、莖、葉對孤立波衰減特性的影響，發現該影響與根和葉的分布密度、淹沒度及相對波高均相關。姚宇等[33］得出了孤立波作用下岸灘爬高與相對入射波高、非淹沒剛性植被密度和岸灘坡度的冪函數經驗關系式。

2.3 形態阻力

植被以形態阻力、莖干及葉片運動的形式來減弱水流、耗散波能，對植被主導的水流阻力的全面認識至關重要。目前該方面的研究主要是阻力系數CD與雷諾數Re和KC數（Keulegan-Carpenter數，用于描述流體中慣性力與黏性力的關系，KC數越大表示紊動的影響越大）的關系。本節將從水流和波浪兩種動力條件分別展開介紹。

2.3.1 水流作用

對于隨機分布、均一直徑的挺水圓形剛性模擬植被產生的阻力，平均阻力系數CD隨柱體雷諾數Re的增加而減小，隨植被密度（φ）的增加而增大[2］。對于柔韌性較強的植被來說，葉片的重構是該類植被的重要特征，也對水動力環境具有重要影響，Zhang等[34］分別使用塑料植被和真實植被，測量了一定速度范圍內的單個植物的阻力和形態，主要通過遮蔽系數考慮了葉片的遮蔽作用，該系數是植物形態、葉片角度、葉片距離和葉片長度的函數，且從1降低到葉片完全傾覆、莖干水平狀態下的最小值。對水產養殖類浮式植被海帶來說，海帶葉片和葉柄對總阻力均有貢獻。在海藻葉片基本水平的試驗速度范圍內，隨著流速的增加，海帶柄的重構縮減了海帶束的垂直范圍。由于這種重構，測得的力F隨速度U的增加而增加（F與Uα正相關，α= 1.35±0.17）[35］。

2.3.2 波浪作用

波浪作用下的植被阻力預測通常與KC 數相關聯，相較于雷諾數和厄塞爾數，KC 數可更好地預測阻力系數，且只有試驗設置，特別是植被密度，才能影響預測公式[36］。為了更好描述柔性植被受到波浪作用引起的阻力，建立預測波浪衰減的理論模型，Zhang 等[37］使用物理模型試驗及現場觀測的數據驗證了采用遮蔽系數解釋葉片和莖干間相互作用帶來的阻力減少作用。通過進一步研究波浪作用下葉片和莖干的重構，Zhang等[38］發現雖然葉片表現出比莖干更強的重構現象，但他們貢獻了超過70%的植物阻力。重構產生的植物阻力大小表現出對波速的依賴性，且弱于波速的二次方。Wang等[39］使用平均孔隙速度（植物單元間的流速）和植被相關的水力半徑（植被區水體體積與植被與水接觸表面積之比），重新定義了雷諾數Re和KC 數，提出了一種新的CD預測方法，發現新的CD值不僅取決于新KC數，還包括植被淹沒率（與第1 節提到的相對有效高度算法相同）與厄塞爾數，該方法的預測能力有了很大改善。

3 植被對泥沙輸運的影響

植被改變了局部水動力環境，進而通過改變沉積物再懸浮及輸移過程中的挾帶能力影響泥沙沖刷和淤積演變，本節將從懸沙特征及沖淤模式方面展開綜述。

3.1 懸沙濃度及泥沙再懸浮

懸沙濃度及泥沙再懸浮不僅關乎該海域沖淤演變過程，同時對水質生態方面也至關重要，本節將從不同動力條件分別綜述。

3.1.1 水流作用

為探究挺水植被莖干特征（直徑、密度φ）對紊動和泥沙再懸浮的影響，在Liu 等[40］的試驗范圍內，相同泥沙粒徑情況下，泥沙再懸浮的臨界紊動能相同，隨著植被密度的增加，水流紊動增強，因此泥沙再懸浮的臨界流速減小。再懸浮臨界紊動與臨界流速均與莖干直徑無關。但是對于較密集且/或較小莖干尺寸時，再懸浮將需要更大的能量梯度（更大的床面坡度或水面坡度）。在挺水植被斑塊對水流調整及流速的影響研究中，如圖4所示，圖中：b為植被布置橫向寬度的一半；B為水槽寬的一半；U0為初始水槽平均流速；Ubare（f）為完全發展區空槽平均流速；Uveg（f）為完全發展區植被內平均流速；Uveg（c）為植被內泥沙再懸浮臨界流速；Lmin為最小距離，該距離外無莖干尺度紊動；Ld為植被內部調整距離；L為植被斑塊長度。當植被不完全布滿水槽整個寬度時，細沙再懸浮剛剛被抑制時距植被前緣的距離（Lmin）與局部流速降低至生成莖干尺度紊動的位置有關，且Lmin主要取決于流動阻塞（與阻力系數和植被所占水平面積相關）和莖干直徑，較短的Lmin是流動阻塞較大和莖干直徑較小的結果[41］。使用剛性圓棒模擬沉水植被時，植被陣列減小了水流流速，但由于紊動作用，達到懸浮狀態的泥沙量隨植被密度的增大而增多，這可能與植被直徑大小、泥沙粒徑分布、植被淹沒率等因素有關[42］。懸沙濃度是評價泥沙輸移特征的關鍵因子，植被內的垂向懸沙濃度分布與經典的裸床Rouse分布不同，在冠層莖干區域，垂向分布趨于統一，而在有葉片分布的上部冠層區域，懸沙濃度則隨著高度增加而減小，懸沙濃度分布反應了由植被形態引起的垂向紊動彌散的不均勻性[43］。

圖4 挺水植被影響下的水流調整示意[41］Fig. 4 Flow adjustment under the influence of emergent vegetation

3.1.2 波浪作用

波浪是導致掀沙的重要因素，波浪驅動下，床面紊動能與波速均方根的平方呈線性關系，沉積物再懸浮的臨界波速與植被密度（φ）相關[44］。具有發達根和根狀莖的大葉藻植被群落對泥沙穩定十分重要，Marin-Diaz 等[45］針對其地上和地下生物量對床面泥沙運動的影響進行了研究，發現暴露在軌道速度27cm·s-1時，地下生物量可減少約一半的推移質侵蝕，而懸沙輸運則是相反的效果。在泥質系統下，再懸浮使得光照水平降低到大葉藻承受的最小水平之下，這可能是由于大葉藻植被布置斑塊過小，導致增強了植被群落邊緣的紊動及沖刷，因此，為了降低泥沙再懸浮還應考慮植被草甸斑塊尺度。

3.1.3 波流耦合作用

為了更真實地模擬現實海岸環境，Lou 等[46］研究了沉水剛性植被在波流耦合情況下對沉積物懸浮的影響，并考慮了植被的不同布置密度以及垂向上的密度變化。結果表明，植被引起的紊動是泥沙懸浮的主要驅動力，植被越密，尤其是垂向密度變化時，泥沙 2懸浮濃度越大。利用有效床面剪切流速，提出了適用于有植被及光灘情況的近底懸沙濃度的指數形式預測公式，并考慮垂向紊動強度變化改進了基于湍流擴散理論預測的懸沙垂向分布。

3.2 沖刷與沉積模式

植被影響下，水動力條件是泥沙運動的基礎，而剖面、地貌形態特征則是泥沙運動的最終表現，本節將對沖刷和沉積模式的研究展開介紹。

3.2.1 水流作用

不同植被分布特征和形態特征對床面沖淤具有不同影響，包括植被的密度、排布方式、滲透性、彎曲程度等。對于完全舒展的、具有透水性的單個樹狀植物，水流作用下床面形成兩道細長的沖刷溝并帶有明顯的山脊；而被緊緊包裹的不透水的相同植被使得沖刷趨于局部化，在觀測區域內形成更多沉積，且其位置距植被更短。對于易彎曲的植被而言，隨著彎曲后投影面積的減少及沉水部分體積的增加，沖刷也相應減少，同時將形成更細長的沖刷溝并向下游擴展[47］。在植被排布方式方面，植被斑塊間的相互作用不容忽視，斑塊間相互作用可促進水流流向上的沉積發展，中心線上的沉積最終導致兩個相鄰斑塊的合并，這是一種橫向斑塊生長的機制。在斑塊對的外側邊緣存在速度減小區域，導致沉積增強，但沉積發展趨勢在流向上比在橫向上擴展得更遠，因此植被演化發展主要由流向上沉積發展區域控制[9］。當植被采用16 個圓形斑塊、斑塊內植被莖干隨機分布時，不同組內又考慮了斑塊直徑的變化，研究發現相同流速條件泥沙輸移量隨總莖干數的增加而增加，但莖干聚集成更小的斑塊直徑時（占底床面積的比例減?。┠嗌齿斠茰p小，水槽平均湍流也隨著聚集度的增加而下降，總莖干數和聚集度成為水槽尺度上很好的泥沙輸移預測因子，提供了一種描述亞網格尺度植被斑塊對泥沙輸移影響的方法[48］。

沉水植被往往具有更強柔性的葉片，對于橫跨水槽的沉水植被斑塊，縱剖面（順流－垂向）的回旋渦流或湍流擴散決定了尾跡長度，此區域內流速減小、沉積增加，且隨著植被密度減小，回旋渦流向更遠的下游移動，尾跡長度增大，柔性葉片的存在也擴展了尾跡長度，因而增大了泥沙沉積區域；相反，圓形植被斑塊布置情況下，尾跡在水平面上（順流－水平側向）產生振蕩，尾跡不穩定的開始決定了沉積區域的長度。不管是圓形還是橫跨水槽植被斑塊形態，沉積量越大，沉積區域越長[14］。Zhang 等[3］研究了沉水植被前緣區域和完全發展區域（圖5，h為植被高度；H為水深；XD為初始水流調整長度；ū為時均流速；δe為剪切層穿透植被內的穿透距離），在前緣附近，水流速度隨調整長度（XD）的增大而減小，與無因次草甸密度（式（2））成反比。在草甸前緣（x＜XD），相對于裸床，凈沉積減少，這是由于上揚水流和增大的莖生湍流動能，這表明草甸邊緣具有明顯不同的顆粒滯留趨勢。凈沉積量隨著離前緣距離的增加而增加。在草甸完全發展區（x＞XD），凈沉積量與草甸密度、水深和流速有關。隨著莖干密度的降低和流速的增加，沉積量逐漸減少。凈沉積減少與莖生湍流驅動的再懸浮有關，該湍流動能隨草甸密度和淹沒深度（H/h）的降低而增加。

圖5 沉水植被前緣水流調整示意[3］Fig. 5 Flow adjustment in the margin of submerged vegetation

3.2.2 波浪作用

近岸波浪引起的上沖流、波浪爬高及越浪等是造成海岸侵蝕的重要影響因素，鹽沼邊緣陡坎在波浪作用下不斷蝕退，而通常情況下植被作用可使岸坡破壞延遲，且與根部的生長有一定關系，總體上提供了穩定岸坡的作用[49］，根系發達的植物比根系不成熟的植物更能減少沙丘侵蝕量[50］，不同研究表明：地上和地下植被的共同存在可使沙丘侵蝕減少37%[51］；植被減少了波浪爬高對沙丘的侵蝕約40%[52］。岸灘平衡剖面的動態平衡對波浪條件較為敏感，植被帶改變了波浪向岸傳播過程中的淺化、破碎特征，研究表明，植被影響下，平衡剖面的槽－壩位置隨著波高增大向海推移，且波陡與岸灘沖刷和侵蝕無量綱參數相關性良好[53］。對于柔性沉水圓形斑塊冠層，Holzenthal等[54］研究表明波浪作用下其后方將形成濱岸沉積丘，并將沉積丘生長機制與近岸水動力狀態聯系起來。從能量的角度來講，由植被或其他結構引起的局部耗散形成了一個低波能區，這可能對鄰近海岸線的響應具有重要意義[55］?；跀_動沉積物顆粒起動的單位面積能量變化速率[56］，Türker 等[4］提出經過植被帶后的波能與侵蝕海岸沙丘剖面所必需的能量呈線性相關關系。

隨著海岸災害頻率的不斷升高，風暴浪也成為研究重點，基于Sallenger[57］提出的障壁島的四種風暴影響機制（沖流、擊岸、越浪、淹沒），Silva等[58］考慮灘肩形態及植被密度的影響，研究了含植被沙丘－岸灘系統對風暴的響應，結果表明植被可減少沙丘的凈侵蝕；Odériz 等[59］使用內部碎石巖心結構來提高沙丘強度，研究了風暴條件下的系統剖面變化，發現植被在風暴初始沖流和擊岸階段起到更好的保護作用，而內部碎石則能更好抵抗風暴后期的越浪及沙丘破壞。然而，在鹽沼向海邊緣區域，Feagin等[60］通過對室內試驗及野外試驗數據的分析，發現有植被與無植被情況下的海岸侵蝕沒有明顯區別，提出海岸植被更適合改善長時間尺度的沉積過程，比如海平面上升等，而不太適合抵抗鹽沼近海邊緣波浪破碎區域受到的頻繁擾動，且土壤性質（包括堆積密度、植物殘骸碎片含量等）是影響沖刷的重要因素，近岸侵蝕防護應著重關注植被對底質長時間尺度的作用。Feagin等[52］通過水槽試驗進一步提出被沖刷暴露于水體中的植被根部可使波浪衰減且可減緩陡坎坍塌破壞，而當植被在波浪上沖流或波浪爬高影響下完全傾覆且連根拔起時，沖刷則會被加劇。因此，植被的根、莖、葉只要暴露于水體中且未發生完全傾覆，對波能都有衰減作用，但是在特定外界條件下，植被可能會加劇海岸向海邊緣區域的沖刷。

除此之外，海堤在世界沿海地區廣泛應用，用于保護低洼地區，抵御沿海災害。因此，堤頂和向陸坡的破壞機制[61］、波浪越頂和單波越浪量的分布[62］成為重要的設計考慮因素。草皮覆蓋廣泛應用于海岸堤防系統的防護中，Ponsioen 等[63］將陸向坡面草皮的破壞與波浪越頂引起的法向應力聯系起來，據此可以預測破壞發生的時間和位置。為了強化植被護坡，提高植被護坡的抗侵蝕能力，一種高性能加筋草皮護坡（HPTRM）技術被提出。研究發現，由于具有較高抗侵蝕能力的有植被覆蓋的HPTRM 的暴露，其侵蝕速率呈下降趨勢[64］。

對不同類型海岸的生態修復工程而言，如果不夠了解其生態系統恢復的動力地貌響應特征，粗放化的工程實施可能帶來一系列海岸侵蝕或淤積問題。針對典型沙壩-潟湖海岸，我們進行了系列植被影響下的物理模型試驗研究，包括不同材料不同類型植被作用，引入了考慮植被布置帶寬的植被加權密度，并考慮沙壩出水高度、水深和入射波高的新參數，提出了布置于壩頂的挺水植被作用下波高衰減率與新參數的線性數學關系，同時分析得到了前丘最大侵蝕厚度與植被加權密度的二次多項式數學關系[65-67］。另外，布置于壩前坡的沉水植被而言[68-69］，侵蝕浪作用下，植被使沙壩和前丘最大侵蝕厚度均減小，且減少了沙壩凈侵蝕量、潟湖內淤積量及離岸輸沙量，對海岸前丘有較好的保護作用。

4 總結與展望

本節將基于對現有研究的總結，提出未來相關研究的展望。

4.1 總結

植被對水動力的影響主要分為：水流、波浪和波流耦合條件下的流場結構或消浪特征研究，以及植被產生的水流阻力的研究。流場結構方面主要針對橫向、縱向、垂向流速結構分布特征，以及紊動能變化特征；消浪特征則主要從波高的衰減、波壓力變化、波能轉換等方面切入研究，除了規則波與隨機波兩種波浪類型外，還有考慮典型孤立波等不同形式波浪的研究，同時，還有少數針對波流同向與波流反向條件的相關探究；水流阻力則主要是研究阻力系數與雷諾數、KC 數之間的關系，同時開始關注葉片與莖干的相互作用，提出遮蔽系數來描述這一點。植被對泥沙輸運的影響主要分為再懸浮特征、懸沙濃度變化規律，以及不同沉積與沖刷模式，包括沖淤形態變化規律、波浪爬高和越浪的沖刷機制等方面的研究。而針對植被特征而言，除了考慮沉水與挺水、剛性與柔性的不同特性以外，還包含了單株植物、簇狀植被、植被斑塊等不同布置特征的影響。除此以外，還有針對典型海岸形式——沙壩－潟湖海岸上植被影響的研究，以及海堤植被護坡的研究等。

4.2 展望

結合以上研究進展的詳細論述，本文提出海岸植被生態防護機制物理模型試驗研究的未來展望。在研究植被對海岸動力地貌影響的過程中，植被本身也將受到水動力條件、鹽度、地下水、土壤種類、季節等的反作用，包括連根拔起、種群分布、季相變化等，因此，未來可增加以植被生長狀態為研究對象，探究水動力閾值問題，比如早期育苗脫落的臨界流速問題；岸灘沖淤演變應與植被特征、動力條件聯系起來，更好地為相關工程提供科學指導；物理模型試驗中應朝著更接近真實環境植被的方向發展，包括不同季節地上生物量與地下生物量的變化和水動力變化、底質土壤類型等方面的考慮，這也對試驗技術的創新提出更高的要求；本文尚未發現在波流耦合試驗條件下的針對植被對泥沙輸運影響的試驗研究，所以波流耦合下植被對床面沖淤影響的試驗研究需要將來深入的探索；另外，幾乎所有物理模型試驗研究均為單一植被形式，而真實環境下常常是沉水植被-漂浮植被，以及海岸陸域的草本－灌叢－喬木等不同類型植被的組合作用情況。因此，植被組合作用成為未來物理模型試驗研究的一個重要方向；除此之外，針對典型海岸的植被防護機制研究十分欠缺，未來應完善歸納針對典型海岸動力地貌對植被響應特征的研究；同時，在研究方法上可結合數學模型和現場觀測，彌補物理模型試驗的欠缺和不足之處。

總的來說，未來需要結合海洋科學、海岸工程、生態環境等不同領域來研究植被對海岸防御的關鍵貢獻，應從交叉學科的視角出發，更加全面地展開基礎研究。

作者貢獻聲明：

匡翠萍：論文撰寫與修改；

叢 新：論文撰寫與修改；

范家棟：資料整理；

李宏義：資料整理。