基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法

本发明涉及生态海岸防护评估，具体涉及基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法。

背景技术：

1、红树林是生长在热带、亚热带海岸潮间带上部的木本植物群落，是重要的海岸生态系统之一。红树林在防风减浪、促淤保滩、固碳储碳、净化水质等方面发挥重要的作用，被誉为海岸消浪先锋与海岸生态屏障。在研究红树林消浪作用中首要解决的问题就是红树林与波浪相互作用关系，尤为重要的是红树林对波浪的阻力问题研究，而拖曳力系数是量化整个植被场对波浪施加的平均阻力的关键经验参数。测量和计算拖曳力系数在波浪与红树林相互作用的问题中是一项关键的研究。物理模型树的制作方法会对红树林的拖曳力系数的计算准确度产生显著影响。

2、1984年dalrymple（达尔林普尔）在《journal of waterway, port, coastal andocean engineer》学术期刊第110卷第1期发表的学术论文中提出的计算红树林拖曳力的方法，但学者们在物理模型实验中通常将红树林简单概化成为均匀圆柱体结构或包含了树干和根系的支柱根结构，忽略了田间真实红树林与物理模型在垂向空间结构上的差异性，这种简单概化无法研究红树林的结构组成对波浪衰减的影响效果，且计算所得到的拖曳力系数与实际情况存在差距，不能实现红树林消浪减灾效果的精准模拟与评估。

技术实现思路

1、为了解决现有的红树林模型与自然环境中红树林差异较大，红树林拖曳力系数计算精度不高且计算所得的拖曳力系数经验公式难以运用于自然环境条件下的红树林消浪效应的评估的不足，本发明的目的在于提供一种能够更好地评估自然环境条件下的红树林消浪效应的基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

3、本发明是基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法，包括如下步骤：

4、s1、基于红树林异速生长方程和回归分析法确定用于构建仿生红树林模型的单木红树林形态结构模型与单木红树林体积；

5、s2、构建仿生红树林模型，s3、基于物理模型实验测量结果，计算不同波浪与红树林特征条件下的拖曳力系数；

6、s4、建立模型尺度下拖曳力系数与雷诺数的经验解析公式，基于模型尺度下拖曳力系数与雷诺数的经验解析公式推算原型尺度下拖曳力系数与雷诺数的经验解析公式；

7、s5、依据红树林异速生长方程、单木红树林形态结构模型计算已知红树林的分布密度，依据实测水动力参数、原型尺度下拖曳力系数与雷诺数的经验解析公式计算已知胸径的拖曳力系数，根据已知红树林的分布密度、已知胸径的拖曳力系数和波高衰减方程计算波高透射系数，评估红树林的消浪效应。

8、本发明的进一步改进在于：所述s1具体为：

9、s11、实地测量红树林，获取包括不同树种、树龄的单木红树林的树高、胸径、冠层高度、冠幅、树冠空隙度的形态结构参数；

10、s12、获取红树林的叶面积指数、红树林生物量，采集树干、根系及树枝样本，通过室内的三点弯曲实验，分别测量样本的抗弯强度，计算弹性模量，获取样本的生物力学特征参数；

11、s13、对样本的形态结构参数与生物力学特征参数进行清洗、去除异常值和无效值，通过统计分析获取各项形态结构参数、生物力学特征参数的基本统计量，将基本统计量按照物种和树龄进行分类统计；

12、s14、基于s13得到的分类统计的数据，构建以胸径为自变量，红树林生物量为因变量的红树林异速生长方程如下：

13、；

14、其中，为红树林生物量，单位为kg/m2，为胸径，单位为m，、为拟合关系式方程的曲线系数；

15、s15、使用回归分析法构建胸径与树高、冠层高度、冠幅、叶面积指数之间的关系式如下：

16、；

17、；

18、；

19、；

20、其中，为树高，单位为m，为冠层高度，单位为m，为冠幅，单位为m，为叶面积指数，、为拟合h-dbh关系式的曲线系数，与为拟合ch-dbh关系式的曲线系数，与为拟合cw-dbh关系式的曲线系数、与为拟合lai-dbh关系式的曲线系数；

21、s16、使用学者ohira于2013年提出的红树林根系形态模型构建红树林根系模型，红树林根系形态模型中红树林根以抛物线的形式表示，根系相关参数方程如下：

22、 ；

23、；

24、其中，

25、；

26、其中，为根高，为根高为rh的红树林树根距离树干的根展距离，为根展距离为时树根距离地面的高度，为最高根高，为根数量，为第个根高，其中，是从树干到地面上的根边缘的根展距离，为根直径，为根与水平线间的夹角，、为根系相关参数方程中待求解的参数；

27、s17、选择研究所需物种和树龄的红树林，测量红树林的树干的胸径，基于s14-s16确定单木红树林形态结构模型；

28、s18、根据单木红树林形态结构模型，计算单木红树林体积v，单木红树林体积v的计算如下：

29、；

30、其中，为平均根径，为平均根高。

31、本发明的进一步改进在于：基于s14-s16确定单木红树林形态结构模型具体为：根据s14构建的红树林异速生长方程，确定红树林生物量，根据s15的胸径与树高、冠层高度、冠幅之间的关系式确定所选红树林的树高、冠层高度与冠幅，根据步骤s16的红树林根系形态模型，确定所选红树林的根高、根展距离、根直径、根与水平线间的夹角。本发明的进一步改进在于：s2具体如下：

32、s21、确定物理模型的长度比尺λ，通过s17中获得的单木红树林形态结构模型计算得到仿生红树林模型的红树林生物量、树高、冠层高度、冠幅、根高、根展距离、根直径、根与水平线间的夹角，根据s12中获得的红树林树干、根系和树枝的弹性模量、抗弯强度，通过柯西数相似准则，选取合适的刚性和柔性材料，制作红树林的刚性树干和树根以及柔性树冠的树枝，根据s12中获得的红树林叶面积指数，制作红树林树冠的树叶；

33、s22、根据弗劳德相似性准则，根据需求确定物理模型实验的波浪条件工况，包括波高、周期和水深；

34、s23、将仿生红树林模型置于波浪水槽中，用造波设备制造不同的波浪条件，采用波高仪测量并记录不同水动力条件下的仿生红树林模型区域的沿程波高变化过程。

35、本发明的进一步改进在于：s3具体如下：

36、基于物理模型实验测量结果，结合dalrymple模型中的波高衰减方程，求解仿生红树林模型的波高衰减系数和拖曳力系数：

37、；

38、；

39、其中，为波高透射系数，为仿生红树林模型前的入射波高，即不规则波的均方根波高，为仿生红树林模型后的透射波高，为波浪在仿生红树林林带中传播距离，为根据拟合实验测得的波高沿程衰减数据得到的波高衰减系数，为不规则波浪的谱峰频率对应的波数，为仿生红树林模型淹没度，为仿生红树林模型高度，为水深，为仿生红树林模型胸径，为仿生红树林密度，即单位面积仿生红树数量，为拖曳力系数。

40、本发明的进一步改进在于：s4具体如下：

41、s41、计算不同波浪条件下的雷诺数，结合s3中计算的拖曳力系数，构建模型尺度下拖曳力系数与雷诺数之间的经验解析公式：

42、 ；

43、 ；

44、 ；

45、其中，为物理模型实验条件下的雷诺数，为拖曳力系数，、、均为拟合关系式确定的曲线参数，为仿生红树林顶部的最大水平速度，为水的运动粘度，为波浪角频率，为仿生红树林模型胸径，为仿生红树林模型前的入射波高，为仿生红树林淹没度，为水深；为不规则波浪的谱峰频率对应的波数；

46、s42、将模型尺度下的雷诺数乘以长度比尺λ的二分之三次方，得到原型尺度的雷诺数，即,代入s41中获得的拖曳力系数与雷诺数之间的经验解析公式中，得到原型尺度下的拖曳力系数公式如下：

47、。

48、本发明的进一步改进在于：s5中红树林的分布密度为：

49、；

50、其中，为红树林体积密度，为红树林生物量， n为红树林密度，即单位面积红树数量，v为单木红树林体积。

51、本发明的有益效果是：本发明制作的仿生红树林模型能更准确地模拟红树林的真实结构，包括树干、树冠、根系等各部分的形状和大小，可以考虑到红树林群体之间的相互影响作用，从而计算得到的拖曳力系数更接近真实情况，提高了自然环境下的红树林消浪效应评估的准确性。

52、同时，由于仿生红树林模型包含了红树林的各种形态结构特征，因此可以用于研究红树林各个结构组分对波浪衰减的影响程度，其实验研究结果更适用于应用在实际工程中红树林的保护和恢复工作及红树林的海岸防护工程之中。