基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法技术

本发明专利技术公开了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：

【技术实现步骤摘要】
基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法


[0001]本专利技术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
。

技术介绍

[0002]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
。
[0003]1984
年
Dalrymple
（达尔林普尔）在
《Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean 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

[0004]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，本专利技术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
。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术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：
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；
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；
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；
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
。
[0006]本专利技术的进一步改进在于：所述
S1
具体为：
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；
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；
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；
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：；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；
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：；；；；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；
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：；；其中，
；
[0007]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；
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；
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：；其中，为平均根径，为平均根高
。
[0008]本专利技术的进一步改进在于：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
。
本专利技术的进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于仿生红树林模型拖曳力系数的红树林消浪评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
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；
S2、
构建仿生红树林模型，设计并完成仿生红树林模型消浪的物理模型实验；
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；
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；
S5、
根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，根据实测水动力参数
、
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
。2.
根据权利要求1所述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，其特征在于：所述
S1
具体为：
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；
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；
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；
S14、
基于步骤
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：；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；
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：；；；；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；
S16、
使用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，根系相
关参数方程如下：；；其中，；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；
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；
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：
V=+
；其中，为平均根径，为平均根高

【专利技术属性】
技术研发人员：张荣，雷佳欣，陈永平，姚鹏，王远，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：