含剛性漂浮植被群河道水流特性試驗研究

周弋玲，景何仿，王維紅，陳秋同

（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021； 2. 北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021；3. 北方民族大學數學與信息科學學院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

天然河流中分布著許多水生植被，水生植被的存在增大了水流的阻力，降低河流的過流能力［1］， 同時改變了河流的內部結構，使得水流形態更為復雜［2］。植被有不同的剛度、柔韌度、高度和水中分布位置，以不同的方式影響水流量，根據植被在水中的分布位置可將水生植被分為挺水植被、沉水植被、漂浮植被和浮葉植被。一方面漂浮植被繁衍能力較強，不受自然條件約束，會迅速覆蓋整個水面，對行洪排澇和其他水生生物繁衍產生不利影響［3，4］。另一方面漂浮植被能夠吸收河流中過剩的營養物質和有害物質，改善水質，提高去除污染物效率，為水生動物提供適宜的棲息地［5］，同時遮蔽射入水中的陽光，抑制水體中藻類的生長，常用于生態工程中凈化污水和富營養化的水體，也因其外形美觀逐漸用于人工生態河道和濕地的建設［6］。漂浮植被附近的水流結構和泥沙淤積會影響到漂浮植物的生長狀況。因此關于漂浮植被群落對水流的水力特性影響的研究有較大價值。

近年來，由于含植被河道的水流流動有著復雜的生態和水動力效應，人們進行了大量的實驗室研究和數值模擬研究。試驗研究方面，焦軍麗等［7］探討了不同密度的非淹沒的剛性植被群對河道水流紊動特性的影響，得出植被群密度與下游紊動強度的波動成正比。楊彧等［8］對淹沒剛性植被群狀態下，不同的布置方式的彎道水流特性進行了研究。宋瀅汀等［9］通過水槽試驗研究了多種排列方式和多種淹沒度的剛性植被作用下水流特性分布規律。Shi 等［10］通過用剛性木制圓柱體模擬圓形植被斑塊，試驗分析泥沙顆粒尺寸、密度及水流流速對植被斑塊周圍泥沙沉積的影響。Li 等［11］測量不同密度下的剛性淹沒植被斑塊發現植被密度影響植被斑塊后方流速的橫向和縱向分布，植被斑塊后方左右兩側深度平均流速隨著植被密度的增大而增大。張凱等［12］利用三維激光多普勒測速儀（ADV）研究了不同植被密度和不同流量對含柔性植被河道水流特性的影響。槐文信等［13］總結了柔性淹沒植被情況下的河床糙率公式。樊新建等［14］對不同排列方式下柔性淹沒植被的水流特性進行測量研究。Huai 等［15］通過光譜和象限分析得到淹沒柔性植被斑塊在湍流中的動量傳遞特性。Downing-Kunz 等［16］使用ADV 研究了具有羽狀根系的自由漂浮水生植物根冠層的水動力效應。Plew 等［17］用剛性圓柱模型模擬漂浮植被，采用ADV 和二維粒子跟蹤測速儀測量不同入水深度的漂浮植被明渠水流的流場分布。韓麗娟等［18］用電子應力計基于邊界層理論對漂浮植被受到的拖曳力進行分析。數值模擬方面，Zhao等［19］通過水槽試驗驗證了大渦模型（LES），利用LES 分析不連續剛性淹沒植被斑塊流動的平均速度分布和湍流特性。Jing等［20］采用格子玻爾茲曼法（LBM）對水槽中含剛性植被的流動結構進行了二維數值模擬。許棟等［21］開展流固耦合數值模擬，研究柔性植被在水流作用下的彎曲及運動響應，分析植被渦激振動特性及水流阻力規律，表明植被剛度影響植被的阻水規律。蔡銀娟等［22］在多松弛模型中加入植被拖曳力，對不同密度和排列方式組合的非淹沒剛性植被的水流結構進行了數值模擬。

國內外學者多集中于對含挺水或沉水植被的明渠水流水力特性研究，而對漂浮植被的研究相對較少。植被的空間分布很少是均勻的，常以群落的形式出現在河道中［23-25］，而大多數研究集中在單個植被或由植被組成的單個植被斑塊，而由多個植被斑塊組成的植被群落的研究成果較為匱乏。基于以上情況，本文運用矩形截面玻璃水槽模擬天然河流，以剛性漂浮植被群落為研究對象，采用JFM（Joy Fluid Measurement）系列的高速粒子圖像測速儀（PIV）和無線超聲波水位測量系統對觀測斷面的水位和流速進行測量，研究剛性漂浮植被群不同入水深度、布置方式、植被密度對河道沿程水深變化、縱向流速分布、紊流強度的影響。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

該實驗是在北方民族大學水力學實驗室的一個U 型自循環可變坡水槽進行的，該水槽總長38 m，其中上、下游水槽直段長16 m，中部為中心角180°彎道進行連接，長為6 m，過流斷面為邊長0.8 m 的正方形。水槽壁面和底部均為鋼化玻璃，尾門為自動推拉式人字門，水槽底坡為0.1%順坡。

流場測量利用PIV系統，該系統主要由片狀光源（激光）、高速CCD 相機和示蹤粒子組成，試驗時使用StreamPix 軟件以28.5 fps（每秒幀數）連續采集獲得2 000 個高分辨率粒子照片，然后使用PIV 計算軟件對2 000 個瞬時流場處理得到時均流場。水位利用超聲實時測量系統測量， 測量探頭對稱布置在水槽兩岸， 水位和流量在計算機上自動讀取。植被由相對堅硬的莖組成，它們的橫截面通常呈圓形，在水面以下沒有葉子，因此常用剛性圓柱體來代替天然根莖進行實驗研究。該試驗用長0.9 m，直徑0.01 m 的圓柱形玻璃棒來模擬剛性漂浮植被，單株植被按照一定密度交錯排列成矩形植被斑塊，本研究中由兩個植被斑塊構成植被群落。在水槽頂部安裝了可以沿水槽自由移動的雙層長方形玻璃架用來固定玻璃棒，實驗時可自由調整玻璃棒入水深度。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗儀器設備Fig.1 Measured instruments

1.2 試驗方法

本次試驗中的植被群落由兩個植被斑塊構成，第一塊植被斑塊位于距離入水口10 m處，第二塊植被斑塊位于距離入水口11 m，兩塊植被斑塊沿水流方向長均為0.50 m，沿垂直于水流方向寬度根據不同工況設置為0.8 m 和0.4 m 兩種情形。為研究植被入水深度對水流特性的影響，該試驗共設置了8種工況，水槽進口處流量均為0.052 m3/s，通過尾門控制出口處水深為0.14 m，初始平均速度為0.5 m/s。其中工況1 為對照組，不設置植被，工況2～4 的入水深度分別為0.13、0.08、0.04 m，布置方式均為全斷面布置，植被密度均為2.297%。工況5 和工況6 的入水深度均為0.04 m，布置方式分別為1/2 同側布置和1/2 異側布置，密度均為2.297%，工況7 和工況8 的入水深度均為0.04 m，布置方式均為全斷面布置，植被密度分別為1.590%和1.237%。植被各工況的實驗組次見表1。

表1 試驗工況基本參數Tab.1 Basic parameters of experimental conditions

在植被區及上下游選擇7 個橫斷面進行流速測量，分別位于距離水槽進水口9.70、10.00、10.25、10.75、11.25、11.50、11.80 m處（編號為斷面a～斷面g）。在各測流斷面上設置5條測線，分別位于距離右岸0.10、0.25、0.40、0.55、0.70 m 處。水位測量斷面在流速測量斷面基礎上增加3 個斷面，一共設置了10 個測量斷面，增加的3 個斷面分別是離水槽進水口10.50、11.00、12.10 m（編號為斷面1～斷面10）。每個水位測量斷面左右兩岸各設置一個測點。流速、水位測量斷面及流速測線位置如圖2所示。各個工況植被具體布置方式如圖3所示。

圖2 試驗斷面及測線布置（單位：m）Fig.2 Measured cross-sections and lines arrangement

圖3 不同工況植被平面布置圖（單位：m）Fig.3 Vegetation positions of various cases

2 試驗結果與分析

2.1 實測水位沿程分布

為了反映不同入水深度、布置方式以及密度對水面坡降的影響，將試驗區域分為上游、中游、下游3個子區域，上游為斷面1～斷面4，總長0.8 m；中游為斷面4～斷面6，總長0.5 m；下游為斷面6～斷面10，總長1.0 m。現將8 種工況下水面坡降計算出來，如表2 所示。可以發現，試驗區域中游水面坡降最小，上游水面坡降最大，即植被斑塊之間水面變化最小，第一塊植被斑塊前后水面變化最大。影響因素中入水深度對水面坡降影響最大，植被布置方式的影響次之，植被密度的影響最小。

表2 不同工況水面坡降Tab.2 Water surface slope under different cases

為了研究漂浮植被群對水位的影響，將8 種典型工況下研究區域處的水位沿程分布進行了對比，如圖4 所示，圖4 中采用平均水深H對測量水位進行無量綱化處理。從圖4 中可以發現，受漂浮植被阻力作用，水流對植被區上游有明顯的壅高作用，在植被區下游又逐漸回落。無植被時，流量不變，水位處于較平穩的狀態，變化不大。當布置植被時，植被區上游水位壅高，進入第一個植被斑塊后逐漸下降，在第二個植被斑塊前又逐漸上升，當進入第二塊植被斑塊后再次下降，流出整個植被區后逐漸恢復至原來水位。

圖4 不同工況下沿程水位分布Fig.4 Water level distribution along the way under different cases

通過比較工況2～4發現，在同一排列方式和密度條件下，植被入水深度越大，水面壅高及水面坡降也越大。對比工況4～6發現，在同一入水深度和植被密度情況下，全斷面布置比半側布置的工況的水面壅高和水面坡降的影響更大，其中，1/2 同側布置比1/2 異側布置的工況對上游的水面坡降影響較大，對中游水面坡降影響較小，對下游水面坡降影響不太明顯。對比工況4、7、8發現，在同一入水深度和排列方式條件下，植被密度越大，水面壅高和水面坡降越大，綜合來看，植被入水深度比植被布置方式和植被密度對水面坡降和水面壅高的影響更大。

2.2 實測流速比較分析

針對流速測量斷面d，橫向選取與右岸相對距離為y/B=0.5的垂線，各工況下的縱向流速沿垂向分布如圖5 所示。對比工況1～4 可以看出，無植被時，僅考慮槽底糙率的影響，水流流速分布符合明渠水流分布規律。在布置漂浮植被后，水流流速受到槽底和植被的共同作用，沿垂向重新進行分配，與工況1有所不同。工況2 植被入水深度與水深相同，相當于非淹沒挺水植被的情形，水流流速整體較小，沿垂向變化幅度較小，近似呈直線型分布。工況3 和工況4 植被入水深度不同，植被群根部以下與流速增加，植被群根部流速很小，而最大流速出現在植被群根部到水槽底部連線的中心處。相比較而言，若植被入水深度較大，則植被群根部以下區域最大流速也相應較大。其原因是漂浮植被根系的阻水作用，根系附近速度減小，但植被根部以下區域由于過水斷面面積的減小，導致水流速度增加，而且隨著植被入水深度的增加，過水斷面面積減小幅度增大，平均水流流速也相應增加幅度變大。

圖5 不同工況縱向流速沿垂向分布Fig.5 Distribution of longitudinal flow velocity along the vertical direction of different cases

對比分析工況4～6 發現，植被的布置方式對水流縱向流速沿垂向分布也有一定影響，但總體影響相對較小。相比較而言，半側布置植被（工況5 和工況6）后縱向流速沿垂向的平均值要大于全斷面布置植被的情形，同側布置植被的平均流速要大于異側布置的情形 。

植被群的密度對植被區水流流速分布有較大影響。隨著植被群密度的增加，漂浮植被根部以上區域水流流速減小，而根部以下區域及沒有布置植被的另一側區域水流流速增大。水流經含植被的河道時自由表面會呈現振蕩行為，植被密度越大，植被群內的振幅越高［11］。從圖5可以看出，隨著植被群密度的增加，植被群根部以下區域水流流速與植被群密度呈正相關，即流速隨著植被群密度的增大而增加，而植被群根部以上區域與植被群密度呈負相關，即流速隨著植被群密度的增大而減小。

為了反映植被的布置方式對水流流速沿橫向分布的影響，以工況4、5、6為例，選擇4個典型流速測量斷面c、d、e和g，在其上取距離水槽底部0.1 m 的水平線上的縱向流速進行比較，如圖6所示。

圖6 工況4～6縱向流速沿橫向分布Fig.6 Distribution of longitudinal flow velocity along transverse direction of Cases 4～6

圖6表明，植被布置方式對縱向水流流速影響較大，各斷面處的縱向流速沿橫向分布有明顯不同。工況4由于全斷面布置植被，流速沿橫向分布比較均勻，工況5 中，兩個植被斑塊均布置在水槽右岸附近，右岸附近受到植被阻力影響，流速變小，水流被挑到左岸，左岸流速變大。因此，工況5 條件下，不同斷面處縱向流速呈左高右低的趨勢，但在靠近左岸處，由于邊壁的阻力影響，流速變小。工況6 中，第一個植被斑塊靠近右岸，而第二個植被斑塊靠近左岸，因此，在第一個植被斑塊所在斷面c上，流速從右岸到左岸也呈現增大趨勢，而在兩個植被塊中間的斷面d 上，水流一方面受到上游植被斑塊的作用，另一方面，也受下游植被斑塊的影響，流速沿橫向分布比較均勻。在第二個斑塊所在斷面e 上，縱向流速呈左低右高趨勢。在斷面g 上，受第二個植被斑塊的影響，縱向流速仍呈左低右高的趨勢。

工況5 同側布置植被（植被斑塊均布置在右側），靠近右岸流速沿水流方向逐漸變小，左岸流速沿水流方向逐漸變大，縱向流速橫向變化幅度沿水流方向逐漸增大，在斷面e處流速沿y方向變化幅度達到最大，這種現象稱為疊加效應。工況6 異側布置植被，水流受到兩側植被斑塊的作用，流速沿橫向的變化趨勢由左高右低先變為近似水平，然后變為右高左低，然后又變為近似水平，這種現象稱為中和效應。

2.3 紊動強度分布

現在來研究漂浮植被對河道水流紊動強度的影響，由于漂浮植被的存在，導致水流紊動作用的加強，從而影響河道中泥沙和污染物的輸移。用紊動強度TKE（Turbulence Kinetic Energy）表征紊流特性。通過PIV 系統測量觀測斷面的瞬時流速，采樣頻率為28.5 fps，采樣時間為80 s 左右，每個觀測斷面得到2 000 個瞬時流場，再對2 000 個瞬時流場取均值得到時均流速，紊動強度由脈動流速的均方根來表示，脈動流速為瞬時流速與時均速度之差，所以紊動強度（TKE）計算公式為：

式中：N為采樣次數；u′i為脈動速度；ui為瞬時速度；為時均速度。

由植被斑塊組成的植被群影響著植被群附近范圍內的紊動強度分布。為了便于比較，文中將（1）中計算得到的紊動強度用斷面平均流速U進行無量綱化處理，即用TKE/U來表示紊動強度。

針對各種工況，在每個測流斷面上的河道中心線上，選取距離水槽底部0.11 m處，利用PIV所測的紊動強度進行比較，如圖7所示。

圖7 不同工況下紊流強度沿程分布Fig.7 Distribution of turbulent kinetic energy along the way of different cases

可以發現，沒有布置植被的水槽中紊動強度相對較小，一般位于0.05～0.1之間，布置植被群后，各斷面處紊動強度均有一定程度的增幅。斷面a 和b 位于植被區上游，布置植被前后增幅較小。斷面c 和e 分別位于第一、二植被斑塊內，受漂浮植被擾流作用，紊動強度變幅較大，為沒有布置漂浮植被的1～4倍左右。斷面d 位于兩個植被斑塊之間的無植被區域，紊動強度變幅相對較小。斷面f和g位于第二個斑塊下游區域，受上游植被群的影響，紊動強度變幅仍較大。

為了進一步研究紊動強度的變化規律，選取兩個植被斑塊之間的斷面d，每個斷面取距左岸分別為1/4B、1/2B、3/4B 的三條垂向測線，將8 個工況下的紊動強度進行比較，如圖8 所示。可以看到，在不布置植被時（工況1），紊動強度從床面向水面呈減小的趨勢，這與文獻［21］中的結論是一致的。工況2 入水深度等于水深，根部接觸到水槽底部，各條測線上紊動強度沿垂向分布均勻，這與流速沿垂向的分布基本一致。這是因為工況2條件下，全斷面布置植被，且為非淹沒挺水情形，因此，沿垂向水流接近均勻，流速和紊動強度均是均勻的。工況3 和工況4與工況2植被布置方式類似，也是全斷面布置植被，但植被入水深度分別為水深的1/2 和1/4。這時由于植被對水流的擾動作用，水體間動量交換劇烈，加強了紊動效應。在漂浮植被根系附近和床面附近，紊動強度達到的極大值，而在植被根部和床面的連線中點附近，紊動強度達到極小值。植被群根部上方水體的紊動強度大于下方水體，但下方水體的紊動強度變化比較劇烈。

圖8 不同工況下紊流強度沿垂向分布Fig.8 Distribution of turbulent kinetic energy along vertical direction of different cases

現在來研究植被斑塊布置位置對紊動強度的影響，圖8 中（d）、（e）、（f）表示在植被斑塊位置不同時紊動強度沿垂向的分布。可以看出，全斷面布置植被時（工況4），紊動強度在不同測線上分布基本相同，而僅單側布置植被（工況5）和異側布置植被（工況6）時，各條測線上穩定強度沿垂向分布有較大差別。紊動強度在植被區與無植被區的交界處最大，所以植被斑塊半側布置的工況5 和工況6 的河道中心斷面的紊動強度最大，這是因為在植被斑塊旁水體擾流作用增強，橫向流速加大，導致其紊動強度變大。對于工況5來說，在植被群根部以上水體，水槽右側的紊動強度大于水槽左側。而異側布置的工況6，在上方植被層中，同工況5一樣，水槽右側的紊動強度大于水槽左側的紊動強度。

現在來研究植被群密度對水流強度的影響。圖8 中（d）、（g）、（h）分別代表全斷面布置植被，植被入水深度相同，但植被群密度分別為2.297、1.590、1.237時測流斷面d上不同測線上紊動強度沿垂向的分布。可以看出，植被群密度對紊動強度分布有一定影響。針對植被群根部以下水體，不同植被群密度對紊動強度影響較小，沒有明顯區別；但對于植被群根部以上水體，紊動強度沿垂向呈增大趨勢，且紊動強度隨植被群密度減小而增大。這是因為，隨著植被群密度的減小，植被群對水流的阻水作用減弱，流速變大，且沿垂向變化幅度增大，導致紊動強度也相應變大。

3 結 論

本文利用PIV對含漂浮植被的實驗室水槽水流有關參數進行了測量，并對實測結果進行了分析比較。試驗中，用玻璃棒代替植被，設置了8 種典型工況，研究了植被根系入水深度、植被布置方式、植被群密度對水流結構的影響，主要結論如下。

（1）漂浮植被對植被區上游水位有明顯壅高作用，從而產生一定水面坡降。當布置漂浮植被后，植被區上游水位壅高，進入第一個植被斑塊后逐漸下降，在第二個植被斑塊前又逐漸上升，進入第二塊植被斑塊后再次下降，流出整個植被區后逐漸恢復至原來水位；在同一排列方式和密度條件下，植被入水深度越大，水面壅高及水面坡降越大；在同一入水深度和植被密度情況下，植被全斷面布置比半側布置的工況的水面壅高和水面坡降的影響更大；植被同側布置異側布置對上游水面坡降影響較大，對中游水面坡降影響較小，對下游水面坡降影響不太明顯；在同一入水深度和排列方式條件下，植被群密度越大，水面壅高和水面坡降越大。

（2）漂浮植被群的入水深度及布置方式對水流流速分布有顯著影響。植被群根部以下自由水體的流速增加而上部水體水流速度減小，最大流速出現在植被根系末端與水槽連線的中點附近。增加植被入水深度，導致植被群根部以下水頭流速增大，同時流速最大值位置也隨入水深度的增加而下移；植被布置方式對水流流速分布有顯著影響，半側布置植被縱向流速沿垂向的平均值要大于全斷面布置植被的情形，同側布置植被的平均流速要大于異側布置的情形。

（3）漂浮植被群的密度對植被區水流流速分布也有一定影響。隨著植被群密度的增加，漂浮植被根部以上區域水流流速減小，植被群根部以上區域與植被群密度呈負相關，而根部以下區域水流流速增大，植被群根部以下區域水流流速與植被群密度呈正相關。

（4）漂浮植被群的入水深度和布置方式對水流紊動強度的分布有較大影響。在漂浮植被根系附近和床面附近，紊動強度達到的極大值，而在植被根部和床面的連線中點附近，紊動強度達到極小值。植被群根部上方水體的紊動強度大于下方水體，但下方水體的紊動強度變化比較劇烈；全斷面布置漂浮植被后，紊動強度在不同測線上分布基本相同，而單側布置植被和異側布置植被時，各條測線上紊動強度沿垂向分布有較大差別，紊動強度在植被區與無植被區的交界處最大。

（5）植被群密度對紊動強度分布有一定影響。針對植被群根部以下水體，不同植被群密度對紊動強度影響較小，沒有明顯區別；但對于植被群根部以上水體，紊動強度沿垂向呈增大趨勢，且紊動強度隨植被群密度減小而增大。