Rigid Vegetation Density Impact on Wave Force and Height Reduction in the Shoreline

Authors

1 Water Engineering, Shahrekord University

2 Department of Water Science Engineering, Faculty of Agriculture, Shahrekord University, Iran

Abstract

Given the impact of vegetation on waves and turbulence, which significantly affects beaches, however, the impact of different densities on energy reduction and attenuation has not yet been well understood. In this paper, the effects of different characteristics of vegetation, density, distances and type of arrangement on power reduction and wave damping are investigated. Accordingly, as the density increases (increasing the coverage line and decreasing the distance), more force (62.38% in the most dense state) was obtained from the waves.The rate of absorbed force as drag of vegetation called dimensionless parameter Ft, was augmented by increasing the wave height in both the rectangular and triangular layouts. As the density increases and the number of force coatings increases, the Ft ratio became greater than one. Higher coverage densities result in smaller wave Transmition coefficient and lower wave height. The reduction in wave height is not linearly, its related to vegetation density. As the vegetation density increases from 32 to 66, the wave height decreases by 20% after the cover. According to the achieved diagrams, the difference between altered and non-coverage densities was significant for the highest wave height (wave 12) and was negligible for waves 6 and 9.

Keywords

Full Text

سواحل یکی از مهم­ترین منابع طبیعی هستند و زمانی­که فرایند نگه­داری آن­ها دشوار، پرهزینه و غیر ممکن باشد، از بین می­روند. پیشگیری فرسایش خطوط ساحلی نیاز به درک حرکت موج، هیدرودینامیک، مورفولوژی ساحل، حرکت رسوبات ساحل و تأثیر پوشش گیاهی در مجاورت ساحل دارد.  تا همین اواخر، حفاظت از ساحل معمولاً درگیر ساخت سازه­های سخت مانند اسکله­ها و موج شکن­ها برای از بین بردن و بازتاب انرژی موج بود. این روش­ها انتقال رسوب منطقه را مختل می­کنند و در نزدیکی رودخانه هیدرودینامیک و الگوهای جریان را تغییر می­دهند. جدیدترین روش­های مهندسی ساحل، تمرکز بیشتر روی سیستم­هایی است که کمتر باعث ایجاد اخلال در زیست بوم­های ساحلی می­شوند، مانند پوشش گیاهی، که از ساحل محافظت می­کند و یک زیستگاه طبیعی برای بسیاری از گونه­های مختلف مانند ماهی، دوزیستان، حشرات و پرندگان فراهم می­کند.  تالاب­ها یکی از پرمصرف­ترین زیست بوم­های جهان هستند با منابع طبیعی با ارزش که مزایای مهمی را به مردم و محیط زیست ارائه می­دهند. پوشش گیاهی به تنظیم سطح آب، بهبود کیفیت آب، کاهش خسارات سیل و طوفان کمک می­کند. علاوه بر این، پوشش گیاهی بطور مستقیم از

طریق ریشه دوام خطوط ساحلی را افزایش می­دهد و سیستم­های ذخیره سازی ماسه بادی را تقویت می­کند (دین 1978). حفاظت از سواحل در مقابل امواج یکی از مباحث اصلی در مهندسی سواحل است. به­طور کلی مکانیسم­های مقابله با امواج، شامل جلوگیری از ورود امواج به منطقه مورد نظر، از طریق انعکاس آن­ها به­سمت دریا، مستهلک نمودن انرژی از طریق ایجاد شکست در موج و ایجاد آشفتگی و استهلاک انرژی جریان ضمن عبور از یک سازه متخلخل می­باشد. اما یکی از راه­های اقتصادی مقابله با اثر مخرب امواج دریا بر بدنه ساحل و تأسیسات موجود در آن، کاشت درخت و پوشش گیاهی در حاشیه ساحل به­طول چند ده متر که اصطلاحا کمربند سبز نامیده می­شود، می­باشد که کمتر مورد توجه قرار گرفته شده است. پوشش گیاهی می­تواند موجب استهلاک انرژی و کاهش اثرات مخرب امواج شده و به­صورت یک محیط متخلخل جایگزین موج­شکن­های سازه­ای گردد (قنبری عدیوی و همکاران 2014). اسـتون و شـن (۲۰۰۲) بـه بررسـی آزمایشگاهی هیدرولیک جریـان در یـک کانـال روبـاز بـا موانع اسـتوانه­ای پرداختنـد. مطالعـه آزمایشـگاهی شـامل تعـداد زیـادی آزمـایش بـا موانـع اسـتوانه­ای مسـتغرق و غیرمستغرق در ابعاد و تراکم­های مختلف بود. نتایج نشان داد مقاومت جریان با عمق جریان، تراکم، ارتفـاع و قطـر پایه­ها تغییر می­یابد.

جوردانوا و جیمز (۲۰۰۳) به­طور آزمایشگاهی حرکت بار کف را در یک فلوم پوشیده شـده بـا پوشـش گیـاهی بـه­صورت میله­های فلزی صلب غیـر مسـتغرق بـا چیـدمان شطرنجی مورد مطالعه قرار دادند. آن­ها تنش برشی کف را با استفاده از معادله ممنتم در جریان یکنواخت و با کاسـتن نیروی کششی ناشی از المان­هـای گیـاهی از نیـروی کـل جریان محاسبه کردند. یانگ و همکاران (۲۰۰۷) به بررسـی الگوی جریان در مقطع مرکب با دشت­هـای سـیلابی کـه دارای پوشش گیاهی می­باشند، پرداختند. آن­ها سه پوشش گیاهی علف، بوته و درخت را مورد آزمایش قـرار دادنـد. در مورد پوشش گیاهی درخت در دشت سیلابی، از موانع استوانه­ای استفاده شد. نتایج تحقیقات این محققان نشان می­دهد که حضور هر سه نوع پوشش گیاهی منجر به کاهش سرعت جریان در دشت سیلابی می­شود. در حضور پوشش گیاهی، گرادیان عرضی سرعت جریان در سیلاب­دشت و همچنین تنش برشی ظاهری در سطح مشترک کانال اصلی و سیلاب­دشت افزایش می­یابد. رز و همکاران (۲۰۱۴) مجموعه­ای از آزمایش­ها را در جهت مطالعه اثر پوشش گیاهی مستغرق روی انتقال رسوب، در حضور موج انجام دادند. در این آزمایش­ها از سه مدل گیاهی سخت، انعطاف­پذیر و گیاه واقعی، شش فرکانس موج و چهار تراکم پوشش گیاهی استفاده شده است. هدف آن­ها برقراری رابطه­ای بین انرژی جنبشی، تنش برشی و انتقال رسوب در تراکم­های مختلف پوشش گیاهی بود. با توجه به نتایج آن­ها در چگالی بالای پوشش گیاهی و فرکانس بالاتر، انتقال رسوب کاهش یافته است

لو و همکاران (2018) به مطالعه آزمایشگاهی تأثیر پوشش گیاهی صلب برامواج و فعل و انفعالات جریان ناشی از امواج پرداختند. آن­ها از استوانه­هایی چوبی به قطر 8 میلی­متر برای شبیه­سازی پوشش گیاهی استفاده کردند. به این نتیجه رسیدند که برای امواج منظم با افزایش تراکم پوشش گیاهی ضریب انتقال موج کوچکتر می­شود و ارتفاع موج افزایش می­یابد. همچنین تحت تاثیر پوشش گیاهی متراکم میانگین سرعت جریان موج پایین­تر از بدون پوشش است.

هو و همکاران (2018) به بررسی آزمایشگاهی ساختار جریان و الگوی انتقال رسوب در پایین دست پوشش گیاهی پرداختند. آزمایش­ها را در دو حالت با و بدون پوشش گیاهی منعطف انجام دادند. از نتایج این پژوهش ملاحظه گردید که با کاهش سرعت جریان رسوبگذاری افزایش یافته است.

طلوعی و همکاران (2019) به بررسی تجربی جریان آشفته در سطوح صلب و انعطاف­پذیر پرداختند. نتایج نشان داد که اندازه­گیری میدان جریان آشفته و زبری سیستماتیک نشان می­دهد که انرژی جریان در یک المان از سطح انعطاف­پذیر کمتر از سطح صلب است. قنبری عدیوی و همکاران (2015) به مطالعه آزمایشگاهی اثر کمربند سبز ساحلی بر میرایی امواج دریا پرداختند. برای شبیه سازی درختان از ساقه­های پلاستیکی بدون انعطاف به قطر 5/1 سانتی­متر استفاده کردند. به این نتیجه رسیدند که کمربند سبز در میرایی امواج از طریق جذب نیروی امواج در قالب نیروی درگ بر روی درختان، تأثیر به سزایی داشته است.

باتوجه به اینکه تحقیقات انجام شده در این زمینه قابل توجه نبوده و نیازمند تحقیقات بیشتری جهت بررسی پارامترهای مؤثر پوشش گیاهی بر کاهش اثرات مخرب امواج می­باشد. از طرفی بیشتر این مطالعات بر میرایی امواج تمرکز داشته و اندازه­گیری نیروی جذب شده از امواج توسط پوشش درختی بدلیل محدودیت امکانات آزمایشگاهی، کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. در اینجا با استفاده از روش اندازه­گیری مستقیم نیرو، اقدام به ثبت نیروهای جذب شده از امواج توسط پوشش درختی گردید. برای این منظور در این پژوهش، سازه ساحلی متحرکی طراحی و به کار گرفته شد که مکانیسم اندازه گیری نیرو به کمک این صفحه متحرک در بخش مواد و روش­ها شرح داده شده است. به­طور­کلی در مطالعه حاضر به تأثیر پوشش گیاهی صلب بر میزان نیروی جذب شده از امواج بلند در سواحل پرداخته شده است. پارامترهای هیدرودینامیکی بررسی شده در 15 تراکم پوشش گیاهی و یک حالت فاقد پوشش(شاهد)، 3 ارتفاع موج ورودی و دو چیدمان مثلثی و مستطیلی انجام شده است.

References

Cohen JW,1988. Statistical Power Analysis For The Behavioral Sciences (2nd ed). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.
Chang HY and Hwung HH, 2006. Experimental on the run-up of solitary waves over sloping bottom. Symposium of Coastal and Ocean Engineering 1:14, PP 359-372.
Dean  R G, 1978. Effects of vegetation on shoreline erosional processes.Wetland Functions and Values, 415-426.
Ghanbari Adivi A, Fathi Moqaddam M and Sadri Nasab M, 2013. Laboratory study of the effect of tree cover on the reduction of wave force on steep shores. Journal of Soil and Water Knowledge, Volume 23, Number 4, Pages 131-141. (in Persian with English abstract).
Ghanbari Adavi A, Fathi Moqaddam M and Sadri Nasab M, 2014. Laboratory study of the effect of coastal green belt on sea wave damping. Journal of Marine Science and Technology, Volume 13, Number 4, Pages 40 to 50. (in Persian with English abstract).
Hu Z, Lei J, Liu C and Npef H, 2018. Wake structure and sediment deposition behind models of submerged vegetation with and without ßexible leaves. Advances in Water Resources,118: 28-38.
Husrin S, Strusinska A and Oumeraci H, 2012. Experimental study on tsunami attenuation by mangrove forest. Journal of Earth Planets Space, 64: 973–989.
Jordanova  AA and James  CS, 2003. Experimental study of bed load transport through emergent vegetation. Journal of Hydraulic Engineering 129: 474-478.
Kishi T and Saeki H, 1966. the shoaling, breaking and runup of the solitary wave on impermeable rough slopes, Journal of Coastal Engineering, 3: 322-345.
Lou S, Chen M, Ma G, Liu S and Zhong G, 2018. Laboratory study of the effect of vertically varying vegetation density on waves, currents and wave-current interactions. Applied Ocean Research 79: 74–87.
Morison  JR, O’Brien MP, Johnson  JW and Schaaf S, 1950. The force exerted by surface waves on piles. Petroleum Transactions 189: 149-154.
Ratnasooriya SP, Samarawichrama SSL, Hettiarachchi Banadara RPS0S and Tanaka N, 2008. Mitigation of tsunami by coastal vegetation. Journal of the Institution of Engineers, Sri Lanka, 38: 13-19.
Ros A, Colomer J, Teresa S, Pujol D, Soler M and Casamitjana X, 2014. Experimental observation on resuspension within submerged model canopies under oscillatory flow. Continental Shelf Research 91: 220-231.
Stone BM and Shen HT, 2002. Hydraulic resistance of flow in channels with cylindrical roughness. Journal of Hydraulic Engineering 128:500-506.
Toloui M, Abraham A and Hang J, 2019. Experimental investigation of turbulent flow over surfaces of rigid and flexible roughness. Experimental Thermal and Fluid Science 101: 263–275.
Yang KJ, Cao SY and Knight DW, 2007. Flow patterns in compound channels with vegetated floodplains. Journal of Hydraulic Engineering 133: 148-159.
 
Water and Soil Science
Volume 32, Issue 3
September 2022
Pages 163-180

Files

Share

How to cite

Statistics