不同布置形態下剛性淹沒植被對水流特性的影響

2018-11-20 03:31:04楊琰青顧中明董嘉銳周凱波李佳佳

水資源與水工程學報 2018年5期

楊琰青，王雯，顧中明，董嘉銳，周凱波，李佳佳

(西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，陜西西安 710048)

1 研究背景

水生植被是河流生態系統的重要組成部分，廣泛分布于自然和人工的水生系統，植被存在對此類型生態系統水流形態的影響是當前水力學研究的熱點之一[1-3]。在自然環境中，植物對河道水流運動及水利工程建設均有較大影響。一方面，河道中植物的存在增大了河床糙率及河床阻力，降低了河道過流能力，對航運、防汛工程等產生負面影響；另一方面，植物根系固結表土層，能夠減輕河床侵蝕，可保灘護岸，對于治理水土流失，改善水環境，恢復水生態意義重大。探討植被對水流運動的影響，對水土資源的可持續利用，河流及湖泊的生態修復、河道整治和管理等都具有重要意義[4]。自然河道中植被呈現多種多樣的分布狀態，植被布置形態對于含植被水流的水力學特性影響重大。

20世紀50年代初，有學者開始研究淹沒植被對河道水流特性的影響。Chow[5]主要研究渠道中植被對水流阻力特性的影響，他將曼寧粗糙系數作為特征值，總結分析了曼寧粗糙系數的影響因素，并繪制出n～VR曲線。Hsieh[6]和Li等[7]通過研究矩形水渠中圓柱模擬植被產生的波的形態及紊動特性，檢驗淹沒植被水流阻力特性。結果表明，植被密度會對水流流速產生影響，隨著植被密度的增加，水流阻力增大，平均流速與水力半徑之積VR和糙率n具有一定的函數關系。Huai等[8]根據摻混長度理論，將含有淹沒植被的明渠水流沿垂向分為無植被層、植被層和植被底層3個層次，并建立了流速垂向分布3層模型。Guo等[9]基于NSF方程，用Jacobi橢圓方程函數精確描述植被層內的層流流速分布。

國內關于淹沒植被水流特性的相關研究主要采用水槽模擬的方法。槐文信等[10]使用矩形玻璃水槽模擬自然河道進行淹沒剛性植被試驗，采取粒子圖像流速技術(PIV)測量定單一流量下植被水流的縱向流速垂向分布，發現其分布呈“S”型曲線。王雯等[11]等在均勻流條件下對多級復式斷面河道中邊灘上無植被及有植被情況下的水流特性進行了試驗研究，結果表明植被促使河道內主流速加速回歸河道主槽，對應紊動能的最大值在一級階地靠近主河道的位置出現。劉誠等[12]采用三維湍流模型研究水流中植被對水沙運動的影響。惠二青等[13]在實驗室中通過對含有不同植被群落分布的渠道進行模擬試驗，分析研究植被群落之間水流流速垂向分布。Morri等[14]等通過探討不同解析模式對含淹沒植被水流垂向流速的預測能力選擇合適的模型，并進行驗證。當前隨著計算機技術的高速發展，數值模擬技術得到了不斷地改進和完善，國內外學者不斷地嘗試將數值模擬理論推廣到含有植物河道的研究之中。

綜上所述，關于淹沒植被對河道水流結構和特性的影響，國內外學者多采用實驗室模擬與實際觀測相結合的方法進行研究，得出河道水流與植被之間的關系。但是關于不同植被布置形態對于植被水流特性的分析討論相對較少。

2 試驗設計

2.1 試驗布置

本次試驗在英國Armfied公司生產的大型室內實驗水槽系統中進行，該系統由水箱、軸流泵、玻璃水槽及實驗控制平臺4部分組成。其中水槽長7.5 m，寬0.3 m，高0.5 m，3面采用鋼化玻璃搭建，可以有效減少邊壁阻力效應，減少試驗干擾；離心泵循環造流系統能夠有效控制流量，水位通過尾門進行控制，可獲得較為理想的均勻流實驗條件。該實驗控制平臺具有自動流量控制、造波、變坡及數字化顯示功能，可造流流量范圍為0 ～30 L/s。

圖1 試驗裝置示意圖

剛性植被采用高度hv為15 mm，直徑D為8 mm的中空有機玻璃棒進行模擬，將有機玻璃棒固定于6塊尺寸為1.2 m×0.3 m的長條狀有機玻璃板上，有機玻璃棒剛度較大，不因水流沖擊而產生變形和位移。模擬植被布置橫向間距為20 mm，通過調整縱向間距調整單株植被密度，形成長7.2 m的植被帶，試驗水槽底坡設置為2‰。

根據試驗目的，本次試驗共設置了3種布置形態，每種形態分別進行3種植被密度布置，如圖2所示。取無模擬植被鋪設的空白試驗為對照組，一共進行10組不同工況的試驗，如表1。每組工況研究6組不同流量Q(9、12、15、18、21、24 L/s)下水深、斷面平均流速、植被阻力系數、雷諾數、植被河床粗糙系數的發展趨勢。其中，植被密度由公式(1)計算所得[15]。

(1)

式中：cv為植被密度，%；Na為單位面積植被數，m-2；D為植被直徑，m。

表1 試驗設計方案

2.2 水力要素測定

本次試驗采用探針法(精度為0.1 mm)進行水深測量，即通過探針分別測得水面及水槽底板高程，相減可得水深。為減少水槽進出口影響，所有測量均在水槽中間段進行。

為減小誤差，保證試驗準確性，分別在水槽上游2.0、4.0和6.0 m處布置3個測量橫斷面，并沿每個橫斷面布設3個測量點，分別在距水槽邊壁0.06、0.15和0.24 m處，以減小邊壁對水流的影響。每種工況測量9組水深數據，并進行平均計算，得出相應工況下的水深。

3 結果與分析

3.1 水深與流速的變化特征

本文分析在不同植被分布條件下的平均水深及斷面平均流速隨流量變化特征。由平均水深與流量變化關系(圖3)可以看出，相同流量條件下，無植被布置的空白對照組水深最低，表明植被的存在增大過流阻力，具有明顯的雍高水位作用。與對照組相比，有植被覆蓋使得平均水深雍高2.7～4.7倍。對比相同流量條件、相同鋪設密度下的3種不同布置形態，可知交錯型植被布置壅水高度最高，斑塊型布置其次，而線性布置壅水高度最低。而對比相同布置形態、相同來流條件下不同鋪設密度時的水深，可以得出植被布置密度較大則壅水高度較高。

由斷面平均流速與流量變化關系(圖4)可以看出，相同流量條件下，無植被布置的空白對照組斷面平均流速明顯大于具有植被覆蓋組，說明植被可以有效減緩流速，具有良好的阻水作用。與對照組相比，有植被覆蓋使得斷面平均流速延緩20%～40%。對比相同密度下的3種不同布置形態，可知交錯型植被布置流速延緩幅度最大，斑塊型布置其次，而線性布置流速延緩幅度最小，阻水效果較弱。而對比相同布置形態、相同來流條件下不同鋪設密度時的斷面平均流速，可以得出植被布置密度較大則斷面平均流速較小。

圖2 植被布置形態示意圖(取1/6試驗段為例，單位：mm)

3.2 阻力系數的變化特征

植被對水流的阻力大小與植被的高度、種植密度、布置形態等有密切的關系，植被的阻力系數因植被的具體特性及其具體布置形態不同而產生變化。由植被阻力系數與流量變化關系(圖5)可以看出，對比相同布置密度、相同來流條件下不同布置形態的植被阻力系數，可得交錯型布置時植被阻力系數最大，斑塊型布置次之，線性布置時植被阻力系數最小。而對比相同布置形態、相同來流條件下不同鋪設密度的植被阻力系數，可以得出植被布置密度較大則植被阻力系數相對較小。

植被阻力系數由公式(2)計算可得[15]。

(2)

式中：Cd為植被阻力系數；Fd為植被阻力，N；Av為單株植被投影面積，m2；N為植被帶中植被個數；Vv為植被區水流流速，m/s，由公式(3)計算可得。

(3)

式中：V為斷面平均流速，m/s；hv為植被高度，m；h為平均水深，m；ηv為系數，通常取為1.0。