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基于湿地生态植物沿程断面变化对水流特性影响的模拟试验研究

2019-05-22

水利技术监督 2019年3期
关键词:水流流速断面

李 兵

(辽宁省沈阳水文局,辽宁 沈阳 110043)

当前,河道生态如何治理逐步成为社会关注的热点科学问题[1]。生态湿地是河流生态保护的重要举措[2]。而湿地植物对河流水利特性必然产生不同程度的影响[3],近些年来,对于湿地植物对水流特性研究也得到许多国内学者的关注和研究[4- 7],这其中,观测试验的方式是分析生态湿地植物对水流特性影响的重要途径[8- 10]。为此本文结合观测试验的方式,综合分析湿地植物类型和植物高度对其水流特性的影响,研究成果对于生态湿地的规划设计具有重要的参考和应用价值。

1 试验方案

1.1 方案设计

本次试验设计选用12个典型断面作为湿地生态植物沿程断面变化监测点,断面水流从断面1逐步向断面12流动,湿地生态试验现场如图1所示。为了保持湿地生态植物稳定的水流条件,在湿地植物的前端安置了3个断面,从第3个断面开始,对湿地植物的类型以及高度进行相应改变。每种类型植物之间的长度为2m,宽度为20cm,植物与植物之间的间距设定为3cm。为对断面流速进行分析,从水槽的第5个试验断面开始,分别设定5个断面流速的监测点,在4种湿地植物类型下,流量分别按照15、20、25、30L/s进行设定。

图1 试验场景

表1 湿地植物设计方案

表2 试验水流特性参数

1.2 水流特性指标分析方法

试验首选需要计算湿地植物水流的拖拽性系数,其计算方程为:

(1)

式中,Cm—惯性系数;ρ—水流的密度值,g/cm3;A0—植物的横断面面积,cm2;d—植物半径,cm;U—试验水流的流速,cm/s。

在计算水流特性时,需要计算水流的紊动能量,其计算方程为:

(2)

2 试验结果

2.1 植物高度对水流特性的影响

结合试验方案,对4种不同植物高度下的生态湿地水流特性进行观测试验分析,试验分析结果见表3,并对各流量条件下的植物高度水流特性影响进行分析,分析结果如图2所示。

从表3中可以看出,在生态湿地,湿地植物的高度对水流力学特性参数指标影响较为明显,在各试验组序中,随着植物高度的增加,水流特性出现较为明显的阻滞作用。从图2中可看出,在植物高度为2~5cm之间,植物高度对水流阻滞作用最为明显,随着植物高度的增加,对水流阻滞作用逐步减弱。

表3 植物高度的试验结果分析数据

2.2 植物类型对水流特性的影响

在植物高度分析的基础上,分析植物类型对水流特性的影响分析,具体分析结果见表4,如图3所示。

从表4中可看出,植物类型对湿地水流特性也较为明显,无草状态下水流较为平稳,随着草类型的变化,其对水流特性也逐步凸显。在各试验组次中,大草对水流特性具有较为明显的衰减作用,而小草和中草对水流波段衰减作用弱于大草,对于生态湿地而言,中草和小草对于水流影响较弱。从图3可看出,随着纵向沿程距离的增加,植物类型对水流都具有一定程度的衰减效应。距离较远处,其衰减效应逐步减弱。

图2 不同流量条件下的植被高度水流特性分析

图3 不同流量条件下的植被类型水流特性分析

表4 植物类型的试验结果分析数据

3.3 植物类型对水流紊能的影响

结合试验方式,对不同植物类型水流紊能进行分析,分析结果见表5。

表5 不同植物类型水流紊能分析数据

从表5可看出,不同植物类型下水流紊能变化不同,大草作用下水流紊能最强,无草状态下水流紊能作用最弱,中草和小草相对于大草类型,其紊能有所减弱。从各试验分组情况下,随着试验组序的增加,各植物类型的紊能作用逐步减弱。随着放水流量的增加,各植物类型下垂向流速分布特征较为一致,即在垂直水流的方向上,其流速逐步减弱,水深在2~3cm之间,其垂向流速较高,而3cm水深以下,这种递减趋势逐步明显。

4 试验结论

(1)植物类型对湿地断前流速影响较为明显,达到一定沿程距离后,植物类型对水流的阻滞作用明显减弱。植物大小确定情况下,湿地水流流速最大值的距离可以确定。随着距离的增加,不同植物类型和高度下水流流速和水位都有一个相对调整的过程。

(2)各植物类型下底部水流流速偏高,高于一般明渠水流流速,中草和小草类型下的水流紊能作用较小,建议在其湿地规划设计时表面高度在2~3cm设置中、小草植物类型,而在其底部设置大草,保持湿地最适宜的生态水流环境。

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