含淹沒柔性水生植被群的彎道水流特性PIV試驗研究

陳吉爽，楊海鵬，景何仿，楊佳雙，齊錦輝，白江洲

(北方民族大學土木工程學院，寧夏銀川750021)

0 引 言

由于河道、水庫、渠系、湖泊中的水生植被會對水流特性、生物養分的提取和交換以及對水體凈化、岸坡的穩定性等都具有重要的作用或影響。因此，水生植被是具有生態功能河流的重要組成部分，在水體生態生物修復中日益受到重視。然而，由于河道中水生植被的存在，改變了河流的水流結構，增大了水流的阻力，使河流的過流能力下降，處理不當往往會導致洪災的出現。

趙芳等[1]采用微型聲學多普勒測速儀(Micro ADV)測量了樹狀植被影響下明渠水流的流速分布，分析了不同流量和水深條件下4組樹狀植被對明渠水流的影響。顧繼一等[2]借助圓形竹簽進行交錯排布，模擬不同淹沒度下的剛性植被群，通過室內水槽試驗，研究淹沒度對植被群尾部水流縱向分布的作用機理。楊琰青等[3]利用室內水槽模擬含剛性淹沒植被的明渠進行試驗研究。張凱等[4]在實驗室水槽中，用塑料草代替水生柔性植被進行了系列試驗，利用三維激光多普勒測速儀(LDV)等儀器測量了植被區在不同工況下的水位、三維流速、植被的傾斜角度、湍流強度等，并研究了它們與植被疏密程度和流量大小的關系。Jing等[5]用格子Boltzmann方法研究非淹沒剛性植被的明渠水流結構特征。宋瀅汀等[6]利用三維激光多普勒測速儀等儀器對實驗室水槽中4種排列、4種淹沒度下水生剛性淹沒植被的擾流特性進行了測量和分析。馬建平等[7]為了研究天然河道中非淹沒剛性植被對水流的影響，對實驗室水槽進行了加工，使其單側具有二級漫灘，另一側為主槽，并將剛性植被(用玻璃棒代替)布置在漫灘上，設置了3種典型工況(植被平行和交錯排列、無植被的情形)，利用三維激光多普勒測速儀(3D-LDV)等儀器進行測量，并對結果進行了分析和比較。樊新建等[8]采用塑料草模擬河道中的柔性淹沒植被，通過室內高精度水槽試驗，用三維聲學多普勒流速儀(ADV)對同種淹沒度、不同排列方式下柔性淹沒植被影響下時均縱向流速、垂向紊動強度、雷諾應力沿相對水深的分布特征進行了測量和分析。賈鳳聰等[9]采用理論分析和遺傳算法相結合的方法，提出了柔性植被環境下的阻力系數計算公式，建立了阻力系數與植被淹沒度、植被阻力長度以及植被彎曲程度的定量關系。趙春霞等[10]利用ADV在明渠水槽中研究了淹沒柔性植被對水流結構(如流速、雷諾剪應力、紊動強度和曼寧系數)的影響。Zhang等[11]利用PIV系統測量了不同植被配置和不同根長情況下的流速。通過對水位、流速、水頭損失、雷諾應力、湍動能(TKE)等實測數據進行對比分析，得出含懸浮植被的明渠彎道水流運動的一般規律。從實測數據可以發現，植被區的水位和水頭損失與懸浮植被的排列方式密切相關。

到目前為止，關于淹沒剛性植被及淹沒柔性植被的排列方式在順直水槽中對水流結構的影響研究相對較多，而關于不同密度淹沒柔性植被對彎道處水流結構影響的研究很少。本文在U形彎道水槽凸岸側布置同種類型不同密度的植被群，用PIV等儀器對植被群下的彎道水位和流速進行測量，研究了彎道內布置淹沒柔性植被群對水流特性影響的規律，研究結果在河流的防洪設計、改善河道通行、河道護岸工程建設等方面都具有十分重要的意義。

1 試驗裝置與試驗方法

1.1 試驗裝置

1.1.1 粒子圖像測速儀(PIV)

PIV作為一種全新的無擾、瞬態、全場速度測量方法，在流體力學及空氣動力學研究領域具有極高的學術意義和實用價值。PIV技術原理簡單，就是在流場中撤入示蹤粒子，以粒子速度代表其所在流場內相應位置處流體的運動速度.應用強光(片形光束)照射流場中的一個測試平面，用成像的方法(照像或攝像)記錄下2次或多次曝光的粒子位置，用圖像分析技術得到各點粒子的位移，由此位移和曝光的時間間隔便可得到流場中各點的流速矢量，并計算出其他運動參量(包括流場速度矢量圖、速度分量圖、流線圖等)。

1.1.2 U形水槽

本試驗在上游直槽長1 600 cm，下游直槽長1 600 cm，中游為180°彎道，中心線半徑為200 cm的U形彎道水槽中進行，水槽寬80 cm，在水槽進水口設有消能濾網、蜂窩形整流器和水面整流板，保證進水水流流態均勻。在彎道進口以及出口處用柔性接頭連接上下游，可適應較大變形，并保證內部平順連接。在水槽出水口設有活頁式尾門，通過計算機控制，可使尾門開度發生改變，調節水槽水位。

1.1.3 植被

每株植被高8 cm，寬4 cm，將植被先按照平行排列方式鑲嵌到固定的矩形框架模型上(長40 cm、寬25 cm)，植被在模型上的布置密度分密集和稀疏兩種情況，再用玻璃膠水將矩形框架模型沾到彎道水槽之中，兩植被群之間相距15 cm。水槽、PIV及植被模型如圖1所示。

圖1 試驗儀器及模型

1.2 試驗方法

1.2.1 工況布置

本次試驗床面條件為定床，水槽坡度為0.1%，水槽水深12 cm；試驗選取塑料草模型模擬沉水柔性植被在河流凸岸處對水流規律的影響，其中每株植被寬8 cm、高4 cm，均按照平行方式排列；在25°～45°斷面之間和45°～60°斷面之間布置植被密度分別為密集(1 170株/m2)和稀疏(350株/m2)的2種工況，如表1所示。

表1 沉水柔性植被實驗工況基本參數

1.2.2 數據采集位置

按順水流方向為x軸正方向，垂直于水流方向指向左岸為y軸正方向，垂直于水面向上為z軸正方向。彎道處沿x方向設置8個實測斷面，斷面1～斷面8與y軸方向的夾角分別為0°、25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°，其中，斷面2位于植被群上游15 cm處，斷面3位于兩植被群中間，斷面4位于植被群下游5 cm處。彎道處沿y方向設置4條測線，分別在距右岸5、25、55、75 cm處設置測線a、b、c、d，如圖2所示。

圖2 植被排列位置及實測斷面

2 試驗結果與分析

試驗所測數據使用Matlab軟件包和Excel軟件進行處理，對水位、流速、橫比降、水頭損失和水力坡降分別進行計算，并繪制圖表進行比較分析。

2.1 水位分布比較

2.1.1 水位沿縱向分布

測量不同工況下彎道沿x方向的8個斷面的水位，實測水位沿程分布如圖3所示。

圖3 不同工況下水位沿縱向變化

由圖3可知，無植被時，U形水槽彎道內水位沿程變化整體較平緩；在植被密集布置工況下，由于植被的阻水作用，斷面3前水位有所壅高，高于不布置植被工況，而斷面3下游水位低于無植被布置工況；在植被稀疏布置工況下，同樣由于植被的阻水作用，斷面3上游水位壅高，高于無植被情形，但低于植被密集布置工況，斷面3下游水位低于無植被情形，但高于植被密集布置工況。

2.1.2 水位沿橫向分布

測量不同工況下彎道沿y方向設置的4條測線(a～d)，選取典型斷面2(25°)、斷面3(45°)、斷面5(90°)、斷面7(150°)測量水位，測量結果如圖4所示。

圖4 典型斷面處不同工況下水位沿橫向分布

由圖4可知，各種工況下在4個典型斷面(斷面2、斷面3、斷面5、斷面7)處水位沿y方向呈上升趨勢，這符合彎道水流運動基本規律。圖4中，左面為凸岸，右面為凹岸。彎道處由于離心力的作用，水面出現橫比降，凹岸水位高于凸岸。在不同工況下，斷面2的水位從高往低的順序依次為植被密集布置、植被稀疏布置、無植被；斷面3的水位分布類似于斷面2；斷面5的水位從高往低的順序排列依次為無植被、植被稀疏排列、植被密集排列；斷面7的水位分布與斷面5相同。出現這種現象的原因是由于柔性植被布置在斷面3附近，在植被的阻水作用下，導致斷面3上游水位升高，下游水位降低，且植被布置越密集，阻水作用越強，上下游水位變化幅度越大。

2.1.3 水面橫比降

在3種工況下，每一斷面分別取距凸岸5 cm和75 cm處，測出水位，計算出水面橫比降，結果見表2。

由表2可知，在彎道離心力和植被群阻力的共同作用下，彎道中不同斷面水面橫比降均大于0，說明凹岸水位高于凸岸。不布置植被時，水面橫比降相對較小，介于0.54%～0.99%之間。布置植被后，除斷面1和斷面2外，水面橫比降在其他斷面處均有不同程度的增大，工況3中在部分斷面處(如斷面5)，水面橫比降約為無植被情形的2.5倍，而工況2在斷面3、斷面4、斷面6、斷面7、斷面8處水面橫比降也約為無植被時的2倍。因為在彎道中，當水流運動方向發生變化時，作用于水質點上的力除重力外，還會產生指向凹岸的慣性離心力，該兩力的合力促使水流向凹岸聚集，造成凹岸的水面高于凸岸，所以形成了自凹岸向凸岸傾斜的橫向水面比降。說明淹沒柔性植被對彎道水面橫比降影響較大。這是由于，兩個植被群均位于凸岸附近，靠近凹岸處無植被，在植被阻流作用下，靠近凸岸處植被上游水位壅高，而靠近凹岸處植被上游水位變化不大，從而導致植被群上游(斷面1和斷面2)水面橫比降比無植被情形變小。而越過第1個和第2個植被群后(斷面3和斷面4)，靠近凸岸處水位突然降低，由于植被的阻流作用，主流更加靠近凹岸，導致凹岸處水位比無植被情形升高，從而引起水面橫比降總體增大。植被群之后的斷面5～斷面8在植被群的影響下，水面橫比降也都有程度不同的升高。

2.2 流速分布

利用PIV測量每個斷面凹岸和凸岸附近的速度，結果如圖5所示。

圖5 不同工況下斷面平均流速沿程分布

由圖5可知：

(1)在凹岸處，無植被工況下，流速沿程先下降然后上升。布置植被后，由于植被阻力作用，在植被群上游，流速整體比無植被情形要小，但在植被群下游斷面，由于植被的挑流作用，主流更加更近凹岸，凹岸處流速一般大于無植被情形。

(2)在凸岸處，流速在3種工況下沿程均呈下降趨勢，由于植被阻流作用，布置淹沒柔性植被后，凸岸處流速總體明顯小于無植被情形，而植被密集布置情形流速要明顯小于植被稀疏布置情形，說明植被密集布置情形對水流的阻力更大，阻水效果更加顯著。

3 水頭損失及水力坡降

水流在運動過程中單位質量液體的機械能的損失稱為水頭損失。產生水頭損失的原因有兩種，外界對水流的阻力和液體的粘滯性。

為了分析彎道上下游及植被前后水頭損失的物理特性，根據液體運動的能量方程，則有

(1)

式中，Z1、Z2分別為兩斷面處的水位，m；P1、P2分別為兩斷面處的大氣壓強，N/m2；V1、V2分別為兩斷面處的流速，m/s；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；hw為兩斷面處的水頭損失，m。

由于試驗中水槽處于同一大氣壓下，所以任意兩斷面的大氣壓強相同，從而得到兩斷面之間的水頭損失為

(2)

單位渠道長度的壓力水頭線或重力水頭線的降低值為水力坡降。計算公式為

J=hw/L

(3)

式中，J為水力坡降；hw為兩斷面的水頭損失；L為兩斷面之間的實際距離。

為計算不同工況下彎道進、出口之間的水頭損失和水力坡降，本試驗取彎道斷面2和斷面7為研究對象，彎道進、出口之間水頭損失及水力坡降結果見表3。

表3 彎道進出口水頭損失及水力坡降

由表3可知，不同工況下水頭損失和水力坡降不同。工況1沒有布置植被，水頭損失和水力坡降主要由彎道床面、邊坡和水的粘滯性產生的，而工況2和工況3均布置了淹沒柔性植被，相當于增大了床面糙率，其水頭損失和水力坡降均大于工況1。工況2采用植被密集布置方式，這種布置對水頭損失及水力坡降的影響大于工況3(植被稀疏布置情形)。從而說明在床面上布置的淹沒柔性植被越密集，床面糙率越大，產生的水頭損失也越大，水力坡降相應也越大。

4 結 論

本文在U形彎道水槽中凹岸附近布置不同密集度的淹沒柔性植被群，利用PIV等儀器進行了測量，分析了布置植被群前后的水位、水面橫比降、流速、水頭損失和水力坡降等的變化規律，主要結論如下：

(1)由于植被阻水作用，在彎道植被群上游會發生雍水現象，且植被越密集，雍水位越高，同時在彎道處上下游水位變化幅度越大。

(2)布置淹沒柔性植被前后，彎道內凹岸水位均高于凸岸。在彎道凸岸附近布置淹沒柔性植被群后，植被群上游水面橫比降減小，而下游水面橫比降增大。

(3)布置淹沒柔性植被后，凸岸處流速總體明顯小于無植被情形，而植被密集布置情形流速要明顯小于植被稀疏布置情形，說明植被密集布置情形對水流的阻力更大，阻水效果更加顯著。

(4)布置淹沒植被群后，會產生附加水頭損失和水面坡降，且植被密集布置方式產生的水頭損失及水力坡降大于植被稀疏布置方式。