含多重剛性植被明渠水流特性實(shí)驗(yàn)研究

宋瀅汀，景何仿，王維紅，趙衛(wèi)偉，李春光

(1.北方民族大學(xué)數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用研究所，寧夏 銀川 750021；2. 北方民族大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3.北方民族大學(xué)寧夏智能信息與大數(shù)據(jù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平得到了極大改善，但也造成了生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，其中尤以河流生態(tài)環(huán)境最為明顯。植被是水流環(huán)境的重要組成部分，研究植被對水流結(jié)構(gòu)的影響，對河道水流管理如凈化水流環(huán)境、減少泥沙運(yùn)移、解決河道淤堵和防洪等自然現(xiàn)象都具有實(shí)際意義。植被的柔韌度、高度、淹沒度、排列方式的不同對水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響不同，基于前期的對單重淹沒剛性植被的研究工作，本文主要研究多重剛性植被對水流結(jié)構(gòu)的影響。

在研究植被對水流結(jié)構(gòu)影響這方面，國內(nèi)外學(xué)者已有一些成果。Musleh和Cruise[1]研究了剛性非淹沒植被對廣大洪泛平原流動(dòng)阻力的影響。Zhang等[2]通過實(shí)驗(yàn)研究了剛性非淹沒植被對流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響，并對其流動(dòng)結(jié)構(gòu)和湍流動(dòng)能的影響進(jìn)行了研究。景何仿等[3]利用三維激光多普勒測速儀(laser Doppler velocimeter， LDV)等儀器測量了不同工況下的水位分布、流速分布等，研究了含水生非淹沒挺水植物的水流特性。Pujol等[4]研究的水流流速是用一個(gè)聲學(xué)多普勒測速儀(ADV)測量的。郝文龍等[5]提出了一種兩層模型(植物層和植物層以上區(qū)域)來預(yù)測含淹沒剛性植物水流縱向流速垂向分布，其中，水流速度測量儀器是ADV。Yang等[6]對陸上水流的水力特性進(jìn)行了144個(gè)水力水槽實(shí)驗(yàn)。顧繼一等[7]通過室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)，研究淹沒度對植被群尾部水流縱向分布的作用機(jī)理。槐文信等[8]用三維Micro ADV對淹沒柔性植被恒定水流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，淹沒柔性植被水流植被層和非植被層的水力特性有顯著不同。Chen等[9]利用ADV等儀器，通過實(shí)驗(yàn)研究了水下柔性植被在流動(dòng)結(jié)構(gòu)上的三種構(gòu)型(排列、交錯(cuò)、柱狀)的影響。Wu和Yang[10]研究了淹沒植被的不同狀態(tài)對流動(dòng)阻力有不同的影響，探討了水下植被的狀態(tài)與阻力之間的關(guān)系。Sarker[11]在實(shí)驗(yàn)室中利用ADV，研究了在不同的波浪電流組合下，在沖刷床上的圓柱墩周圍的流動(dòng)特性。Xavier和Wilson[12]利用ADV，測量并分析了植被陣列周圍的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

表1 不同工況物理參數(shù)

從過去的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，在研究含淹沒或非淹沒、剛性或柔性植被明渠的水流特性方面，所用的流速測量儀器以ADV為主，只有少量文獻(xiàn)中用到LDV，且大多為一維或二維的，且從已有研究成果來看，研究內(nèi)容大多局限于單重植被(植被直徑和高低完全相同)對水流環(huán)境的影響，而研究雙重(植被直徑相同但兩種不同高度)或多重植被對水流的影響較少[13]。本文利用利用美國TSI公司生產(chǎn)的3D-LDV對含雙重植被和三重植被水流特性進(jìn)行測量，并探究其對水流結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)是在作者所在單位流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的矩形玻璃水槽中完成的。該水槽長15 m，寬0.49 m，深0.5 m。流速測量使用美國TSI生產(chǎn)的3D-LDV，該儀器直接與電腦相連接，通過電腦控制坐標(biāo)架沿x、y和z3個(gè)方向移動(dòng)。該儀器流速測量范圍為-150～600 m/s， 測量數(shù)據(jù)相對誤差不超過1%，可用于氣、液及多相流的測量。水位測量使用水位測針進(jìn)行。

1.2 工況設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)中植被為剛性植被，利用直徑相同的玻璃棒來代替，玻璃棒直徑為8 mm，長分別為12、22、42 cm 3種規(guī)格。玻璃棒排列方式均為等距平行排列。實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)3個(gè)工況，分別為單重植被(工況1)、雙重植被(工況2)和三重植被(工況3)，每種工況根據(jù)不同的淹沒度可分為3個(gè)子工況。單重植被的玻璃棒高度為12 cm，雙重植被的玻璃棒高度分別為12 cm和22 cm，三重植被的玻璃棒高度分別為12、22、42 cm，均按由低到高的順序沿水流方向布置20排植被，與壁面垂直的方向布置9排植被，縱向和橫向的間距都為0.048 m。在多重植被排列方式中，沿橫向和縱向高低不同的玻璃棒依次交替布置。水平植被密度為196株/m2。植被區(qū)位于水槽中游，距水流入水口7.8 m處，植被區(qū)全長0.92 m。

為了便于比較，定義一個(gè)物理量淹沒度，等于水深與植被高度之比，其中植被高度以最矮植被為基準(zhǔn)。表1給出了不同工況下的植被排列方式、淹沒度、植被高度、水深、流量、水面坡降和垂向植被密度和體積植被密度。

1.3 實(shí)測位置

流速實(shí)測位置在沿水流方向(x方向)上共設(shè)置了8個(gè)實(shí)測斷面。其中，第一個(gè)設(shè)置在植被區(qū)第一排植被上游0.40 m處，最后一個(gè)設(shè)置在植被區(qū)最后一排植被下游0.05 m處，另外6個(gè)設(shè)置在植被區(qū)：分別位于第3和第4排植被中間、第4排植被上、第10排植被上、第10和第11排植被中間、第15排植被上、第15和第16排植被中間，其中3個(gè)過植被，另3個(gè)在相鄰兩排植被中間，該8個(gè)斷面與水槽進(jìn)口處的距離分別為7.4、7.924、7.948、8.236、8.26、8.476、8.5、8.77 m。

由于植被位置與水槽中心線對稱，因此沿與壁面垂直的方向(y方向)只測量1/2區(qū)域，共設(shè)置了9個(gè)實(shí)測斷面，第1測量斷面位于距水槽左壁面49 mm，即沿y方向第1排植被處，之后每隔24 mm設(shè)置一個(gè)測量斷面，第9個(gè)測量斷面位于沿y方向第5排植被處，即水槽中心線。這9個(gè)測量斷面中5個(gè)在植被上，4個(gè)在兩排植被之間。沿與水面垂直的方向(z方向)上，單重植被每個(gè)淹沒度設(shè)置了5個(gè)測量斷面，但其位置不同；多重植被(二重植被和三重植被)根據(jù)淹沒度的不同，設(shè)置了不同數(shù)量的測量斷面，淹沒度為1.33時(shí)9個(gè)測量斷面，淹沒度為1.8時(shí)11個(gè)測量斷面，淹沒度為2.5時(shí)16個(gè)測量斷面。z方向的測量位置以水槽底部為起點(diǎn)，距起點(diǎn)5 mm處為第1個(gè)測量斷面，以后每隔20 mm布設(shè)一個(gè)實(shí)測斷面。

水位實(shí)際測量位置沿x方向共設(shè)置了10個(gè)測量斷面，前2個(gè)測量斷面位于植被區(qū)上游，分別距第一排植被0.20 m和0.40 m，最后2個(gè)測量斷面位于植被區(qū)下游，分別距最后一排植被0.20 m和0.40 m。中間6個(gè)測量斷面位于植被區(qū)，第3個(gè)測量斷面位于第3排和第4排植被中心處，然后，每隔3排植被布置一個(gè)測量斷面。每個(gè)斷面的測量位置位于水槽中心線處。

2 實(shí)測結(jié)果及分析

2.1 流速實(shí)測結(jié)果及分析

2.1.1多重植被流速大小比較與分析

為了反映多重植被對水流結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)將3種工況下淹沒度為1.33時(shí)流速大小沿y方向的分布進(jìn)行比較，選取的斷面位于同一位置z=12.5 cm處，剛好在高為12 cm的植被頂端處。x方向依次選取第4、5、6、7和8斷面(即x=x1，x2，x3，x4，x5)，其分別與第一排植被的距離為0.436、0.46、0.676、0.7、0.97 m，如圖1所示。

圖1 同一淹沒度(1.33)下水平斷面z=12.5 cm處流速大小沿橫向分布

從圖1可以看出，多重植被作用下流速沿橫向分布均呈鋸齒狀，相比較而言，單重植被(工況1)時(shí)流速擺動(dòng)幅度較小，流速沿橫向分布比較規(guī)則；雙重植被(工況2)次之，三重植被(工況3)時(shí)流速擺動(dòng)幅度最大，流速沿橫向分布很不均勻，部分位置流速偏大。這說明，植被重?cái)?shù)越多，對水流擾動(dòng)越大，造成水流不太穩(wěn)定。相比較而言，在同一淹沒度且植被排列方式一定的條件下，單重植被作用下水流流速較小，雙重植被作用下水流流速較大，多重植被水流流速最大。

2.1.2不同淹沒度下的流速大小比較與分析

圖2 工況3不同淹沒度下流速沿z方向分布

為了反映不同淹沒度下含淹沒剛性多重植被沿水深方向的流速分布特征，圖2給出了工況3在3種淹沒度下過水槽中心線的縱斷面處流速大小沿z方向的分布，其中x方向取第1、2、4、5、8共5個(gè)斷面，記為x=x1、x=x2、x=x3、x=x4和x=x5，其中x=x1位于植被區(qū)上游，x=x2、x=x3、x=x4位于植被區(qū)，x=x5位于植被區(qū)下游。這里z方向的坐標(biāo)為相對高度，即所在位置與水槽底部距離和水深之比。

工況3中，存在3種高度不同的植被，其高度分別為0.12、0.22、0.42 m。淹沒度為1.33時(shí)，上游第一排植被處水深為0.16 m，這時(shí)第一重植被(高度為0.12 m)被淹沒，而第二重植被(高度為0.22 m)及第三重植被(高度為0.30 m)均露出水面；當(dāng)淹沒度為1.8時(shí)，上游第一排植被處水深為0.22 m，第一重植被完全淹沒，第二重植被頂端正好位于水面處；當(dāng)淹沒度為2.5時(shí)，水深為0.30 m，這時(shí)第一重和第二重植被完全被淹沒，第三重植被頂部仍露出水面。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在多重植被作用下，水流流速沿垂向的分布比較復(fù)雜。當(dāng)淹沒度為1.33時(shí)，第一重植被頂端以下的水域(z<0.75)，同時(shí)受三重植被的共同影響，另外還受水槽底部阻力的影響，流速較小。而當(dāng)z>0.75時(shí)，水流僅受第二重和第三重植被的影響，流速相對較大。

當(dāng)淹沒度為1.8時(shí)，情形與淹沒度為1.33類似，第一重植被頂端以下的區(qū)域(z<0.55)，同時(shí)受到三重植被及水槽底部的阻力影響，流速較小。而當(dāng)z>0.55時(shí)，僅受第二重和第三重植被的影響，流速相對較大。

當(dāng)淹沒度為2.5時(shí)，流速沿垂向分布比較復(fù)雜。在第一重植被頂部以下區(qū)域(z<0.40)，由于同時(shí)受多重植被和水槽底部的共同影響，流速較小，出現(xiàn)一定波動(dòng)。在第一重植被頂端以上且第二重植被頂端以下的區(qū)域(0.400.73)，流速突然增大。

2.2 紊流強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果及分析

天然河道和實(shí)驗(yàn)室水槽中，水流一般均為紊流，其紊流的強(qiáng)弱可用紊動(dòng)強(qiáng)度來描述，可定義為[14]

(1)

某一點(diǎn)處的總紊流強(qiáng)度D定義為該點(diǎn)處x、y、z三個(gè)方向的紊流強(qiáng)度的平方平均數(shù)，即

(2)

2.2.1不同工況紊流強(qiáng)度大小比較與分析

圖3給出了3種工況下當(dāng)淹沒度為1.8時(shí)距水槽底部0.65 m處水平斷面上紊流強(qiáng)度沿y方向分布。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，由于受多重植被的影響，每個(gè)水平斷面上總流動(dòng)強(qiáng)度沿y方向的分布均呈犬牙狀。總體而言，單重植被情況總紊流強(qiáng)度較小，沿y方向變化幅度較小，而二重和三重植被情況總紊流強(qiáng)度較大，波動(dòng)幅度也較大。這說明多重植被比單重植被對水流的紊動(dòng)影響較大。

圖3 水平斷面上總紊流強(qiáng)度沿橫向分布

2.2.2不同淹沒度紊流強(qiáng)度大小比較與分析

圖4給出了工況3在不同淹沒度下過水槽中心線處縱斷面上總紊流強(qiáng)度沿垂向變化。x方向選取5條線，具體位置為x=x1位于第一排植被上游0.40 m處，x=x2位于植被區(qū)第3、4排植被中間，x=x3和x=x4分別位于第10排和第15排植被上，x=x5位于最后一排植被下游0.05 m處。這里z方向的坐標(biāo)為相對高度，即實(shí)測點(diǎn)離開床面距離與水深之比。

從圖4可以看出，總體而言，總紊流強(qiáng)度沿垂向分布具有如下特點(diǎn)：①淹沒度越大，總紊流強(qiáng)度也越大；②淹沒度較小時(shí)，總紊流強(qiáng)度沿垂向分布相對比較均勻，隨著淹沒度的增大，沿垂向波動(dòng)幅度逐漸增大；③靠近水面處總紊流強(qiáng)度較小，靠近水槽底部，紊流強(qiáng)度較大；④植被區(qū)上游紊流強(qiáng)度比植被區(qū)小。

主要原因是：隨著淹沒度的增大，淹沒在水中的植被數(shù)增加，對水流的紊動(dòng)作用增強(qiáng)，從而總紊流強(qiáng)度增大，且沿垂向分布不均勻程度增加。由于部分植被淹沒在水下，靠近水面處，受植被影響較小，從而紊流強(qiáng)度也相對較小。植被區(qū)上游，受植被的影響要比植被區(qū)小，從而紊流強(qiáng)度較小。

圖4 工況3在不同淹沒度下縱斷面上總紊流強(qiáng)度沿垂向分布

2.2.3同一點(diǎn)處不同方向紊流強(qiáng)度大小比較與分析

以上比較的是總紊流強(qiáng)度沿橫向和垂向的變化，現(xiàn)在來比較x，y，z三個(gè)不同方向的紊流強(qiáng)度的大小。

現(xiàn)就工況2中選取淹沒度為1.33，對一個(gè)典型橫斷面處不同方向紊流強(qiáng)度大小進(jìn)行比較，如圖5所示。這個(gè)橫斷面位于第5、第6排植被間隙處。斷面上選取5條垂直于床面的直線進(jìn)行比較，這5條線分別位于橫向第1至第5排植被上。

圖5 工況2在淹沒度為1.33時(shí)典型橫斷面處不同方向紊流強(qiáng)度沿垂向分布

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，紊流強(qiáng)度的如下一些特性：①總體而言，x方向的紊流強(qiáng)度最大，y方向次之，z方向最小；②x方向的紊流強(qiáng)度在沿垂向呈波浪形分布，且床面附近較大，水面附近較小；③y方向紊流強(qiáng)度靠近床面處較小，水面處變大；④在雙重植被中，在所淹沒的第一重植被頂端(z=0.75)以下，z方向紊流強(qiáng)度很小，幾乎為零，而第一重植被頂端上部，逐漸增大；⑤第一重植被頂端附近，紊流強(qiáng)度變幅較大。

3 結(jié) 論

在實(shí)驗(yàn)室水槽中布置不同高度組合的多重植被，分為單重、雙重和三重植被3種工況，每種工況下又根據(jù)淹沒度不同，分3種子工況，用3D-LDV等儀器對每個(gè)工況下水位、三維流速、紊流強(qiáng)度等物理量進(jìn)行了測量，對實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，主要結(jié)論有：

(1)在同一淹沒度且植被排列方式一定的條件下，單重植被作用下水流流速較小，雙重植被作用下水流流速較大，多重植被水流流速最大。

(2)在多重植被作用下，水流流速沿垂向的分布比較復(fù)雜。淹沒植被頂端以下的水域，受多重植被和床面的共同影響，流速較小。淹沒植被頂端以上的水域，流速相對較大。

(3)由于受多重植被的影響，每個(gè)水平斷面上總紊動(dòng)強(qiáng)度沿y方向的分布均呈犬牙狀。總體而言，單重植被情況總紊流強(qiáng)度較小，沿y方向變化幅度較小，而二重和三重植被情況總紊流強(qiáng)度較大，波動(dòng)幅度也較大。這說明多重植被比單重植被對水流的紊動(dòng)影響大。

(4)其他條件不變時(shí)，總紊流強(qiáng)度隨著淹沒度的增大而增大；總紊流強(qiáng)度沿垂向分布波動(dòng)幅度隨著淹沒度的增大而逐漸增大；總紊流強(qiáng)度隨著水深的增大而逐漸增大；植被區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度要大于非植被區(qū)。

(5)總體而言，x方向的紊流強(qiáng)度最大，y方向次之，z方向最小。