含非淹沒剛性植物明渠水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

朱宇澤 上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司

1.引言

水生態(tài)與水環(huán)境問題是當(dāng)前的重要問題，水體中的富含有機(jī)物、磷、氮等導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。水生植物可以凈化水體，在明渠中種植植物會(huì)改變水流結(jié)構(gòu)。王忖研究了挺水植物菖蒲對水流結(jié)構(gòu)的影響，流速以其枝葉分叉點(diǎn)為拐點(diǎn)，往上流速減小，往下流速增大；紊動(dòng)特性為各向異性，枝葉分叉處出現(xiàn)最大值。劉誠建立三維數(shù)學(xué)模型來研究水生植物對河道形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)岸邊植物帶減小了植物帶內(nèi)部的流速。槐文信在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了水流在垂向上“J”型分布的規(guī)律。趙連權(quán)分析天然挺水植物對水流結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)植物的存在使得水流的紊動(dòng)增強(qiáng)。Ortiz研究了含淹沒柔性植物和非淹沒剛性植物明渠的水流結(jié)構(gòu)特性。

2.試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置立面示意圖（單位：mm）

水槽尺寸為8m×1m×0.35m（長×寬×高），水流為自循環(huán)，采用二維PIV測量，此測速儀器對于水流無干擾。非淹沒剛性植物，用直徑6mm，長度32cm的透明塑料棒模擬。本試驗(yàn)水深分別為0.2m、0.25m、0.28m；植物規(guī)則排列，密度分別為300株/m2、150株/m2。每種工況測100組瞬時(shí)流速，選取植物間的一條垂線上的數(shù)據(jù)用作分析，位置如圖中所示。

3.試驗(yàn)成果分析

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)工況表

測量后分析順?biāo)鞣较虻臅r(shí)均流速u，順?biāo)鞣较蛭蓜?dòng)量Tu，垂直水流方向紊動(dòng)量Tv的規(guī)律。

其中，

ui,vi—順?biāo)髋c垂直水流方向瞬時(shí)流速；

u,v—順?biāo)髋c垂直水流方向時(shí)均流速，。

3.2 不同流量情況下下水流結(jié)構(gòu)分析

在河道中栽種挺水植物以改善生態(tài)。不同河道流量有差別，則需考慮其影響。

分析A1～A5的u，v，Tu的規(guī)律。結(jié)果見圖2。

可見，隨著流量的增大，u增大。u增大的同時(shí)，Tu、Tv也增大，其余條件相同的情況下，流量對于紊動(dòng)量大小的影響很直接。

圖2 流量不同時(shí)水流結(jié)構(gòu)對比

除了上述規(guī)律以外，這幾個(gè)特征量在垂向分布上還有別的規(guī)律。

u在垂向的分布趨于平衡。與不含植物明渠中u符合的對數(shù)率不同，呈現(xiàn)增大→趨于不變→減小的規(guī)律。Tu的垂向分布規(guī)律大致為渠底與水面大，水體內(nèi)部小。Tv的垂向分布有渠底與水面小，水體內(nèi)部大的規(guī)律。

3.3 不同植物密度情況下水流結(jié)構(gòu)分析

種植挺水植物時(shí)，植物密度是重要的量，需考慮其影響。分析B1和B2的u、Tu、Tv的規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3 植物密度不同時(shí)水流結(jié)構(gòu)對比

可見，植物密度I對u、Tu、Tv有影響。

其他條件相同，從渠底至約0.65H處，I大的水體u比I小的水體大。而從約0.65H處至水面則相反。I大，所占用的水體空間就更大，流量Q與水深H相同時(shí)勢必會(huì)增大流速。同事非淹沒植物受水流影響的擺動(dòng)反作用于水流，I大的水體靠近水面部分受到的影響更大，這也導(dǎo)致了在約0.65H處以上I大的水流速度變得比I小的水流速度小。

Tu、Tv也受到I變化的影響，其他條件相同時(shí)，I大的水體，Tu、Tv都大于I小的水體。在河道中種植植物時(shí)需要考慮到其密度對水流結(jié)構(gòu)的影響。

3.4 不同水深情況下水流結(jié)構(gòu)分析

同一條河道中的底高程會(huì)有一定的變化，高程的變化勢必會(huì)影響水流流態(tài)。對比C1～C3工況下的u、Tu、Tv的變化規(guī)律。

對比結(jié)果見圖4。

圖4 水深不同時(shí)水流結(jié)構(gòu)對比

從圖4可以看出，其他條件相同的情況下，水深H對于含植物水流的順?biāo)鞣较蛄魉賣，順?biāo)鞣较蛭蓜?dòng)量Tu、垂直水流方向紊動(dòng)量Tv均有影響。

u隨著水深H的減小而增大，H從大變小，過水?dāng)嗝婷娣e從大變小，所以u逐漸變大。在明渠中，遇到底高程降低的情況，如河底局部被挖泥，流速會(huì)減小，通過這一段河床后流速會(huì)增大，流速的變化影響著河道沖淤。在河道整治過程中，河底高程的變化應(yīng)當(dāng)加以考慮。

Tu、Tv也隨著水深H的減小而增大，在含植物明渠紊動(dòng)量的絕對大小增大的同時(shí)，垂直水流方向的紊動(dòng)量最大值也逐漸降低，更加接近渠底。

4.總結(jié)

本文分別研究了不同流量、植物密度、水深情況下含非淹沒剛性植物水流的u、Tu、Tv的規(guī)律。

其他條件相同時(shí)，流量越大，u、Tu、Tv均越大。植物密度不同時(shí)，u在約0.65H處交叉，此位置以下，植物密度大的流速大，此位置以上，植物密度小的流速大；Tu、Tv均隨著植物密度的增大而增大。水深不同時(shí)，u、Tu、Tv均隨著水深的減小而增大，且Tv最大值更接近渠底。