本發(fā)明屬于海岸工程與生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、目前，潮灘區(qū)域的保護(hù)和生態(tài)修復(fù)已成為沿海地區(qū)的重要課題。特別是在河口和海岸帶，潮位變化和波浪侵蝕對(duì)岸線穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響。傳統(tǒng)的硬質(zhì)結(jié)構(gòu)防護(hù)方法，如海堤和擋墻，雖然可以有效抵御波浪侵蝕，但往往破壞自然生態(tài)環(huán)境，導(dǎo)致生物多樣性下降，且可能引發(fā)其他環(huán)境問題。因此，亟需一種能夠在保護(hù)岸線的同時(shí)，恢復(fù)和增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的解決方案。

2、鹽沼植被作為一種天然的防波消浪結(jié)構(gòu)，具有顯著的波浪能量耗散效果。鹽沼植被通過其莖葉結(jié)構(gòu)與波浪相互作用，消散波浪能量，減少波浪對(duì)岸線的沖擊。然而，鹽沼植被的消浪效果受潮位變化和潮灘梯度的影響較大。潮位變化導(dǎo)致水深變化，從而影響波浪傳播路徑和能量耗散效率；潮灘梯度則影響波浪在傳播過程中的衰減程度。因此，準(zhǔn)確計(jì)算不同潮位和梯度條件下鹽沼植被的消浪效果，對(duì)于沿海地區(qū)的生態(tài)保護(hù)和管理具有重要意義。

3、為了更好地理解和預(yù)測(cè)鹽沼植被在不同潮位和梯度條件下的消浪效果，需要建立精確的波浪能量衰減模型。該模型應(yīng)綜合考慮潮位變化、潮灘梯度、植被種類、密度和高度等因素，通過物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，校準(zhǔn)和驗(yàn)證模型參數(shù)，從而提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法及系統(tǒng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

4、對(duì)潮灘區(qū)域的鹽沼植被進(jìn)行波浪入射的物理模型試驗(yàn)，得到波浪經(jīng)過植被區(qū)域后的能量耗散量和在植被區(qū)內(nèi)的波浪反射量；

5、根據(jù)潮灘區(qū)域的鹽沼植被布置規(guī)格、能量耗散量和波浪反射量，確定植被能量耗散。

6、為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的具體措施還包括：

7、進(jìn)一步地，所述物理模型的構(gòu)建過程如下：

8、在潮灘區(qū)域選擇合適的鹽沼植被種類，并根據(jù)潮位進(jìn)行分類；

9、根據(jù)潮位變化調(diào)整植被的密度和高度，使其在不同潮位下均能耗散波浪能量。

10、進(jìn)一步地，所述根據(jù)潮位進(jìn)行分類，具體是：將選擇的植被種類根據(jù)潮位從低到高分為低潮灘植被、中潮灘植被、高潮灘植被及近岸植被。

11、進(jìn)一步地，所述植被能量耗散的公式如下：

12、

13、式中，dv表示植被能量耗散，為植被莖葉修正系數(shù)，ρ為流體密度，cd為拖曳力系數(shù)，d為植被直徑，h為波高，t為波動(dòng)周期，k為波數(shù)，h為水深，hv為垂直位置，n為單位面積上的植被密度。

14、進(jìn)一步地，所述確定植被能量耗散的過程中，考慮潮位變化和潮位梯度，得到植被能量耗散的公式如下：

15、

16、式中，dv表示植被能量耗散，為植被莖葉修正系數(shù)，ρ為流體密度，cd為拖曳力系數(shù)，d為植被直徑，h為波高，t為波動(dòng)周期，k為波數(shù)；h(t，x)表示位置x和時(shí)間t處的水深，h0是初始潮位，ai是第i個(gè)潮汐成分的振幅，ωi是第i個(gè)潮汐成分的頻率，φi是第i個(gè)潮汐成分的相位角，n是潮汐成分的數(shù)量，g(x)表示潮位梯度，hvi和ni分別是第i個(gè)潮汐成分對(duì)應(yīng)的垂直位置和單位面積上的植被密度。

17、進(jìn)一步地，所述植被直徑d和單位面積上的植被密度ni根據(jù)鹽沼植被布置規(guī)格確定；

18、所述拖曳力系數(shù)cd根據(jù)消浪效能進(jìn)行校準(zhǔn)：根據(jù)初始拖曳力系數(shù)計(jì)算鹽沼植被的模擬消浪效能，并判斷鹽沼植被的模擬消浪效能與實(shí)際消浪效能是否相等；若相等，則以初始拖曳力系數(shù)作為拖曳力系數(shù)cd，否則調(diào)節(jié)初始拖曳力系數(shù)直至模擬消浪效能與實(shí)際消浪效能相等，調(diào)節(jié)后的拖曳力系數(shù)則作為拖曳力系數(shù)cd。

19、相應(yīng)地，本發(fā)明提出了一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括：

20、輸入模塊，用于輸入潮位變化數(shù)據(jù)、潮灘梯度數(shù)據(jù)和鹽沼植被布置規(guī)格數(shù)據(jù)，生成潮位變化和潮灘梯度的數(shù)學(xué)模型；

21、計(jì)算單元，用于根據(jù)潮位變化和潮灘梯度的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合鹽沼植被布置規(guī)格數(shù)據(jù)，得到植被能量耗散的計(jì)算模型；

22、校準(zhǔn)模塊，用于對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行校準(zhǔn)，確保計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致；

23、輸出模塊，用于輸出計(jì)算結(jié)果，包括不同潮位和梯度下鹽沼植被的植被能量耗散。

24、進(jìn)一步地，所述生成潮位變化和潮灘梯度的數(shù)學(xué)模型，具體為：

25、記錄和輸入潮位隨時(shí)間t的變化數(shù)據(jù)h(t)，并生成潮位變化速率

26、記錄和輸入潮灘不同位置x的水深數(shù)據(jù)h(x)，生成潮位梯度

27、所述鹽沼植被布置規(guī)格數(shù)據(jù)包括植被的種類、密度、高度和分布方式。

28、進(jìn)一步地，所述植被能量耗散的計(jì)算模型為：

29、

30、式中，dv表示植被能量耗散，為植被莖葉修正系數(shù)，ρ為流體密度，cd為拖曳力系數(shù)，d為植被直徑，h為波高，t為波動(dòng)周期，k為波數(shù)；h(t，x)表示位置x和時(shí)間t處的水深，h0是初始潮位，ai是第i個(gè)潮汐成分的振幅，ωi是第i個(gè)潮汐成分的頻率，φi是第i個(gè)潮汐成分的相位角，n是潮汐成分的數(shù)量，g(x)表示潮位梯度，hvi和ni分別是第i個(gè)潮汐成分對(duì)應(yīng)的垂直位置和單位面積上的植被密度。

31、進(jìn)一步地，所述校準(zhǔn)模塊通過對(duì)潮灘區(qū)域的鹽沼植被進(jìn)行波浪入射的物理模型試驗(yàn)，得到波浪經(jīng)過植被區(qū)域后的能量耗散量和在植被區(qū)內(nèi)的波浪反射量，并基于物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)計(jì)算模型中的植被直徑d、單位面積上的植被密度ni和拖曳力系數(shù)cd進(jìn)行校準(zhǔn)。

32、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過建立潮位變化和潮灘梯度的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合植被的物理特性，計(jì)算不同時(shí)間和位置的水深，進(jìn)而計(jì)算鹽沼植被在不同潮位和梯度條件下的能量耗散效果。這樣的設(shè)計(jì)能夠在同時(shí)考慮潮位變化、潮灘梯度和鹽沼植被消浪效能的條件下，對(duì)不同潮位梯度下的鹽沼植被消浪效果進(jìn)行計(jì)算，提升計(jì)算精度。本發(fā)明不僅能夠精確預(yù)測(cè)植被的消浪效果，還能為沿海生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供有效的技術(shù)支持，所提出的計(jì)算方法及系統(tǒng)具有科學(xué)、實(shí)用、準(zhǔn)確、效率高等特點(diǎn)，適用于港口、沿海防護(hù)工程、生態(tài)修復(fù)及海岸帶管理等領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于：所述物理模型的構(gòu)建過程如下：

3.如權(quán)利要求2所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于：所述根據(jù)潮位進(jìn)行分類，具體是：將選擇的植被種類根據(jù)潮位從低到高分為低潮灘植被、中潮灘植被、高潮灘植被及近岸植被。

4.如權(quán)利要求1所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于：所述植被能量耗散的公式如下：

5.如權(quán)利要求1所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于：所述確定植被能量耗散的過程中，考慮潮位變化和潮位梯度，得到植被能量耗散的公式如下：

6.如權(quán)利要求5所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法，其特征在于：所述植被直徑d和單位面積上的植被密度ni根據(jù)鹽沼植被布置規(guī)格確定；

7.一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括：

8.如權(quán)利要求7所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于：所述生成潮位變化和潮灘梯度的數(shù)學(xué)模型，具體為：

9.如權(quán)利要求7所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于：所述植被能量耗散的計(jì)算模型為：

10.如權(quán)利要求9所述的一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于：所述校準(zhǔn)模塊通過對(duì)潮灘區(qū)域的鹽沼植被進(jìn)行波浪入射的物理模型試驗(yàn)，得到波浪經(jīng)過植被區(qū)域后的能量耗散量和在植被區(qū)內(nèi)的波浪反射量，并基于物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)計(jì)算模型中的植被直徑d、單位面積上的植被密度ni和拖曳力系數(shù)cd進(jìn)行校準(zhǔn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種變化潮位下不同梯度鹽沼植被消浪效果的計(jì)算方法及系統(tǒng)。方法包括對(duì)潮灘區(qū)域的鹽沼植被進(jìn)行波浪入射的物理模型試驗(yàn)，得到波浪經(jīng)過植被區(qū)域后的能量耗散量和在植被區(qū)內(nèi)的波浪反射量；根據(jù)潮灘區(qū)域的鹽沼植被布置規(guī)格、能量耗散量和波浪反射量，確定植被能量耗散。系統(tǒng)包括輸入、計(jì)算、校準(zhǔn)、輸出等模塊，用于記錄潮位、高差梯度及植被數(shù)據(jù)，計(jì)算波浪能量衰減率，校準(zhǔn)計(jì)算模型，從而精確計(jì)算不同潮位梯度下鹽沼植被的消浪效果。本發(fā)明所提出的計(jì)算方法及系統(tǒng)具有科學(xué)、實(shí)用、準(zhǔn)確、效率高等特點(diǎn)，適用于港口、沿海防護(hù)工程、生態(tài)修復(fù)及海岸帶管理等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：朱文博,吳攀,陸彥,陸永軍,蔡鋒,王志力,左利欽,黃廷杰,朱明成
受保護(hù)的技術(shù)使用者：水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9