植草河床的垂線流速分布規律試驗研究

魯薇

（朝陽市水務局，遼寧朝陽122000）

1 概述

含植物河道是指自然界河道灘地、主槽或者岸坡人工種植或自然生長的植被群落，這些植物會對河道產生正面或者負面的影響。含植物河道不僅可以美化環境，還在固灘、固岸等方面具有良好作用，同時可以提高河流的自凈能力，為水中的生物和微生物提供賴以生存的環境。但是，河床植物的存在很大程度上改變了原來水流的內部結構，增大水流阻力、加大灘地糙率系數、減小平均流速、縮窄河槽過水斷面等，導致水位上升和部分泥沙淤積，從而影響整個河道的行洪能力。這些影響因素不僅與河流的特性相關，還與河床植物的種類、生長周期、種植密度等息息相關。因此，必須深入了解河床植被與水流的相互作用機理，確定含植物河道的流場分布規律和阻力特性。

在以往的研究中，學者多關注于含水生植物河道的水力特性研究，并且常常采用仿真植物模型或人工合成材料替代原型植物。這些人工植物雖然易于制備，但是自然生長的植物有其天然的植株密度、柔韌性和莖葉排列狀態等自然特性，而且采用人工合成材料代替原型植物所涉及的模型相似律極其復雜，很難給出合理解答。因此，使用自然狀態下生長的植物作為試驗材料，深入探討植草河床垂線流速分布規律與影響因素是非常有必要的。

2 試驗概況

試驗在沈陽農業大學水利學院水工實驗大廳中進行。水槽長15.0 m、寬0.8 m、高0.2 m（見圖1），槽底坡度為0.5%，試驗采用的測量設備有LGY-II 型便攜式流速儀、自動水位計等。試驗選取 3 種流量（22.7，39.0，48.6 L/s）、3 種植物高度（17～18，11～12，7～8 cm）、2 種植物密度（600～800，1 700～1 800株/m2）。

圖1 模型平面布置圖

經過現場實地考察，此次試驗選用東北地區河道灘地常見植被高羊茅作為代表性植物。種植采取整地播種，直播撒播的方法，通過人工修剪方式控制植物密度和植物高度。試驗用土取自遼寧省沈陽市東陵區石廟子村，該地土壤屬于渾河沖積平原土，為壤質草甸土。通過土工試驗測得土壤的常規物理性質參數，見表1。根據試驗所得數據可知，此次試驗用土為粉質粘土。

表1 試驗用土常規物理性質指標表

3 結果與分析

3.1 植草河床流態分析

水流流經植草段，造成上游一定程度的水面壅高，而后至植草段下游水位降低，斷面平均流速減小。開始時，水流流經植被伴有波動現象，且植物前后有明顯的漩渦區域，隨著沖刷歷時的增加，植物處于完全淹沒狀態，植物冠層以上水流流態逐漸恢復平穩。

植物枝葉細長柔軟，具有一定的撓度和韌性，水流流經時，植被會順水流方向發生彎曲擺動和偏轉，且流速越大偏轉越大，當流速與沖刷歷時到達一定程度時，植被不再發生偏轉，只是在其平衡位置產生輕微擺動。事實上，植被產生左右擺動的現象可以理解為植被迎水面和背水面的兩部分水流對植被共同作用力的結果。同時植被的往復擺動導致了水流的紊動，從而消耗了水流的動能，宏觀角度上看即是植被的存在增大了水流阻力。

3.2 不同流量對垂線流速分布的影響（見圖2）

圖2 大密度植草段垂線流速分布

由圖2 可以看出，植草河床的水流流速垂線分布不符合對數分布。其分布大致呈現倒“S”型，將流速沿水深方向分為3 個區域，即植物淹沒區、植物淹沒以上區和處于它們之間的過渡區域。植物淹沒區域的垂線流速變化范圍較小，過渡區域的流速梯度很大，植物淹沒以上區域逐漸恢復對數分布規律。流量對植物淹沒區域、過渡區域流速影響較小，流速隨流量的增大而增大，但變化范圍不大；對植物淹沒以上區域流速影響顯著，在該區內，流量越大，流速越大，且變化幅度明顯。

3.3 不同植物密度對垂線流速分布的影響（見圖3）

由圖3 可知，不同植物密度對流速沿垂線分布的影響顯著，垂線流速隨著植物密度的增大而減小。與其他影響因素相比較，植物密度對垂線流速的影響幅度最大。

圖3 植物高度h=17～18 cm 植草段垂線流速分布

3.4 不同植物高度對垂線流速分布的影響（見圖4）

圖4 大密度植草段垂線流速分布

由圖4 可以看出，植物高度越高，垂線流速越小，但流速隨植物高度的變化幅度很小。植物高度的變化對植物淹沒區域流速影響較小，流速隨流量的增大而增大，但變化范圍不大；對過渡區域、植物淹沒以上區域內流速影響顯著，在該區內，植物高度越高，流速越小，且變化幅度明顯。

4 結論

1）試驗采用室內物理模型和原體天然植物相結合的試驗方法，試驗結果經過驗證可為相關研究提供技術參考。

2）植草河床的水流流速垂線分布大致呈現倒“S”型，沿水深方向將垂線流速分為3 個區域，即植物淹沒區域、植物淹沒以上區域和處于它們之間的過渡區域。植物淹沒區的垂線流速變化范圍較小，過渡區的流速梯度很大，植物淹沒以上區逐漸恢復對數分布規律。