非淹沒挺水植被水流特性試驗研究

景何仿，張 凱，楊 程，董建強

(1.北方民族大學數值計算與工程應用研究所，寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學數學與信息科學學院，寧夏 銀川 750021)

天然河流、湖泊、水庫中生長有水生植被。水生植物對于泥沙輸運、污染物的擴散及輸移、生物養分的提取和交換、水體凈化、岸坡的穩定性等都具有重要的作用或影響。由于河道中水生植被的存在，改變了河流的水流結構，增大了水流的阻力，使河流的過流能力下降，處理不當，往往會導致洪災的出現。正因為如此，河道中的水生植被不僅在河道管理方面，而且在水環境、動物生態環境等方面具有重要的研究意義。

近年來學者們廣泛地關注含植物相關水力問題的研究。渠庚等［1］研究了含植物明渠水流阻力特性變化規律，對不同植物的水流阻力分區進行回歸分析，得到各植物的水流阻力經驗表達式;吳龍華和楊校禮［2］利用水槽明渠圓柱擾流試驗研究了挺水植被狀態對水流阻力影響，表明挺水植被相對剛度和阻力系數之間關系密切;Carollo等［3］針對不同植被密度、不同流量、不同床面坡降的水槽，利用二維聲學多普勒流速儀(ADV)進行了測量并分析比較;Wu and Yang［4］利用實測數據研究了淹沒狀態下彎曲剛性植被的水流特性;Folkard［5］在實驗室水槽中對淹沒狀態下柔性有樹冠的水生植被之間的水流特性進行了研究;Ricardo等［6］利用PIV測量了非均勻排列的淹沒狀態下的植被周圍水流特征變量并進行了研究;近年來，隨著計算機技術的高速發展，數值模擬作為一種重要的方法在含植被河流數值模擬研究中開始應用［7-8］。

本文利用LDV等高精度儀器設備，對具有挺水植被(用玻璃棒代替)的水流運動特征進行系列試驗，研究植被在不同排列方式下對水流特性的影響。

1 裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗所用水槽采用自循環、固定底坡，總長20 m，由進水塔、玻璃水槽和回水池三部分組成，其中，玻璃水槽為長方體，長15 m，寬0.49 m，高0.5 m，底坡0.1%。玻璃水槽兩側邊壁為透明玻璃，用鋁合金條固定，底部為鋁合金板。水槽下部為儲水池。當電源開啟時，水流通過壓力管道由儲水池輸送到進水塔，然后進入玻璃水槽，再進入回水池，最后由回水池回到儲水池，以此順序不斷循環。

挺水植被用圓柱形玻璃棒代替。植被區長490 mm，寬與水槽相同，距離水槽入口處9 m。在鋁合金板上鉆上直徑為分別為10、8、6 mm 3種不同規格的圓孔陣列，兩塊規格完全相同的打孔后的鋁合金板用4根高度相同的鋁柱固定，上下平行，呈長方體形狀。

玻璃棒則按照不同的排列方式插入孔陣中，再將其置入水槽中。玻璃棒按4種方式進行排列，分別為稀疏交錯(工況1)、稠密交錯(工況2)、稀疏并排(工況3)、稠密并排(工況4)。稀疏排列時相鄰兩玻璃棒的橫向和縱向距離均為82 mm，而稠密排列時該距離為41 mm，如圖1所示。

圖1 水槽中玻璃棒和實測點的位置

水槽中水位測量利用水位測針進行，流量測量利用流量計進行，并結合實測流速值和水槽有水部分斷面面積進行校正。流速測量利用美國TSI公司生產的三維LDV進行。該儀器可測量三維流速，流速范圍為－300～700 m/s。由于是通過激光進行非接觸式測量，精度很高，相對誤差小于1%。

1.2 LDV測量

由于LDV是利用激光束射到流體中的隨流體一起運動的固體顆粒上，來測量流體流速的，故實際上所測量的流速是隨流體運動的固體顆粒的流速。因此，對水質有嚴格的要求，必須是清水，一般需要加入專用示蹤粒子。一般自來水本身含有一定固體微粒，無需再加入示蹤粒子。當數據率很低時，需要另外加入示蹤粒子。

在測量時，激光束在每個測點處需停留一段時間，所測數據實際上是這段時間所捕獲的所有粒子的平均值。停留時間可根據數據率而定，一般可取10～50 s，在實測時，取停留時間為20～30 s。

2 試驗結果

2.1 水位實測結果及分析

水流流經植被群時，由于植被的阻力，流速減小，在流量不變的情況下，植被群上游水位會出現壅高，而流過植被群后，流速增大，水位又出現回落。因此，在植被區會產生較大的水面坡降。本試驗利用圓柱形玻璃棒代替植被，高50 mm，直徑6 mm。由于玻璃棒高度高于最高水位，因此可以用來模擬非淹沒挺水植被。在流量相同(0.054 m3/s)時，當玻璃棒排列方式不同時，水位沿程分布有所不同，如圖2所示。

圖2 4種典型工況下植被區水位分布比較

從圖2可以看出，植被的不同排列方式對植被區水面壅高及水面坡降影響很大。一般來說，稠密交錯情形(工況2)不論水面壅高及水面坡降都最大，其次是稠密并排情形(工況4)，再次是稀疏交錯情形(工況1)，最后是稀疏并排情形(工況3)。也就是說，稠密排列比稀疏排列水面坡降要大，交錯排列比并排情況下水面坡降要大。

通過比較不同直徑的玻璃棒水面壅高及水面坡降可以發現，在同一排列方式下，玻璃棒直徑越大，水面壅高及水面坡降越大。

2.2 流速實測結果及分析

由于植被排列方式不同，不同工況下實測流場分布是不同的。現給出4種典型工況下流場分布，如圖3所示。

圖3 植被區實測流場

實測是利用LDV逐點進行的，在沿y方向(與壁面垂直的方向)一般在每個植被后面及相鄰兩個植被之間各布設一個測點，而沿z方向(與水面垂直的方向，即水深方向)一般每隔2 cm布設一個測點，沿x方向(水流方向)在每兩個植被間隙布設一個測點。圖3中的流場為實測數據沿z方向進行平均(水深平均)后得到的，且僅考慮了x和y方向的流速。因此，在不同工況下，由于植被數目不同，測點個數也不相同，流場的稀疏程度不同。

從圖3可以看到，沿x方向的流速遠大于y方向的流速，主流流向基本與水槽壁面平行。這主要是由于測點與玻璃棒較遠，在玻璃棒附近的流場，情況并非如此。當植被并排排列時(圖3中a和c)，流速大小沿y方向的差別較大。一般在植被后的測點上，由于植被的阻礙作用，流速較小;而在植被間隙處的測點上，流速較大。當植被交錯排列時(圖4b和d)，由于所有測點均在植被后(與前排植被的距離有所不同)，流速大小沿y方向的差別不大。

為了反映流速大小沿y方向的分布，就稠密并排和稠密交錯兩種工況，在三個典型橫斷面上，將流速大小在同一個圖中展示出來，如圖4所示。這3個典型橫斷面分別設置在植被區靠近上游、中游和下游處。可以發現，流速大小沿橫斷面(y方向)呈“W”形交錯分布。對于植被并排排列情形，最小流速和最大流速差別較大，流速分布不均勻程度較為劇烈;而對于植被交錯排列情形，則最小流速和最大流速差別不大，流速分布較為均勻。

為了比較植被群對水流流速的影響，現將不同工況下植被區上、下游斷面平均流速進行比較，如表1所示。用LDV及有關儀器對植被區水位、流速進行了測量，并進行了比較分析。研究結果在河流治理方面、生態修復、動物生態環境等領域具有一定的工程應用價值。主要有以下一些結論:

表1 不同工況下植被上、下游斷面平均流速

圖4 植被區3個典型橫斷面流速分布

(1)排列方式相同(均為交錯或并排)時，植被越稠密，水面坡降越大;交錯排列方式比并排排列方式下水面坡降要大。

(2)植被區流速大小沿橫斷面呈鋸齒形分布。植被并排情形下，流速波動幅度相對較大;植被交錯情形下，流速波動幅度相對較小。

(3)在植被區上游，由于水位壅高，過水斷面面積增大，流速相對較小;在植被區下游，由于過水斷面面積縮小，流速反而增大。

(4)在植被上游區，在植被直徑不變時，當排列方式相同(均為交錯或并排)時，稀疏情形比稠密情形斷面平均流速要大;當植株數相同(均為稠密或稀疏)時，并排情形比交錯情形斷面平均流速要大。

從表1可以看出，當植被直徑不變時，在同一工況下，下游流速反而比上游流速大。這是因為植被區的阻流作用，使得植被區上游水位出現壅高，過水斷面面積增大，流速減小;而當水流流過植被區下游時，水面下降，過水斷面面積減小，平均流速變大。此外還可以看出，不同工況下，植被區上游流速有所不同，但下游流速變化不太明顯。一般來說，在植被上游區，在植被直徑不變時且排列方式相同(均為交錯或并排)時，稀疏情形比稠密情形斷面平均流速要大;在植被直徑不變且植株數相同(均為稠密或稀疏)時，并排情形比交錯情形斷面平均流速要大。

3 結論

本文利用三維LDV對含挺水植被的實驗室水槽水流特性進行了測量，并對實測結果進行了分析比較。試驗中，用玻璃棒代植被，并按玻璃棒的稠密程度和排列方式分4種典型工況，在同一流量下，

［1］渠庚，張小峰，陳棟，等．含柔性植物明渠水流阻力特性試驗研究［J］．水利學報，2015，46(11):1344-1351．

［2］吳龍華，楊校禮．挺水植被狀態對水流阻力影響的實驗研究［J］．水動力學研究與進展，2015(4):418-424．

［3］CAROLLO F G．，FERRO V，TERMINI D．Flow velocity measurements in vegetated Channels［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2002，128(7):664-673．

［4］WU L H， YANG X L．Factors influencing bending rigidity of submerged vegetation［J］．Journal of Hydrodynamics，2011，23(6):723-729．

［5］FOLKARD A M．Flow regimes in gaps within stands of flexible vegetation:laboratory flume simulations［J］．Environmental Fluid Mechanics，2011，11(3):289-306．

［6］RICARDO A M，FRANCA M J，FERREIRA R M L．Turbulent flows within random arrays of rigid and emergent cylinders with varying distribution［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2016，142(9):1-6．

［7］羅晶，楊具瑞，譚毅源，等．濕地剛性植物對水流結構影響的三維數值模擬［J］．水電能源科學，2010，28(1):86-88．

［8］KIM H S， NABI M， KIMURA I， et al．Computational modeling of flow and morphodynamics through rigid-emergent vegetation［J］．Advances in Water Resources，2015，84(2):64-86．