含多重刚性植被明渠水流特性实验研究

宋滢汀，景何仿，王维红，赵卫伟，李春光

(1.北方民族大学数值计算与工程应用研究所，宁夏 银川 750021；2. 北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021；3.北方民族大学宁夏智能信息与大数据国家重点实验室，宁夏 银川 750021)

0 引 言

随着科学技术的发展，人民生活水平得到了极大改善，但也造成了生态环境的负担，其中尤以河流生态环境最为明显。植被是水流环境的重要组成部分，研究植被对水流结构的影响，对河道水流管理如净化水流环境、减少泥沙运移、解决河道淤堵和防洪等自然现象都具有实际意义。植被的柔韧度、高度、淹没度、排列方式的不同对水流结构产生的影响不同，基于前期的对单重淹没刚性植被的研究工作，本文主要研究多重刚性植被对水流结构的影响。

在研究植被对水流结构影响这方面，国内外学者已有一些成果。Musleh和Cruise[1]研究了刚性非淹没植被对广大洪泛平原流动阻力的影响。Zhang等[2]通过实验研究了刚性非淹没植被对流动结构的影响，并对其流动结构和湍流动能的影响进行了研究。景何仿等[3]利用三维激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter， LDV)等仪器测量了不同工况下的水位分布、流速分布等，研究了含水生非淹没挺水植物的水流特性。Pujol等[4]研究的水流流速是用一个声学多普勒测速仪(ADV)测量的。郝文龙等[5]提出了一种两层模型(植物层和植物层以上区域)来预测含淹没刚性植物水流纵向流速垂向分布，其中，水流速度测量仪器是ADV。Yang等[6]对陆上水流的水力特性进行了144个水力水槽实验。顾继一等[7]通过室内水槽实验，研究淹没度对植被群尾部水流纵向分布的作用机理。槐文信等[8]用三维Micro ADV对淹没柔性植被恒定水流进行了实验测量，淹没柔性植被水流植被层和非植被层的水力特性有显著不同。Chen等[9]利用ADV等仪器，通过实验研究了水下柔性植被在流动结构上的三种构型(排列、交错、柱状)的影响。Wu和Yang[10]研究了淹没植被的不同状态对流动阻力有不同的影响，探讨了水下植被的状态与阻力之间的关系。Sarker[11]在实验室中利用ADV，研究了在不同的波浪电流组合下，在冲刷床上的圆柱墩周围的流动特性。Xavier和Wilson[12]利用ADV，测量并分析了植被阵列周围的流动结构。

表1 不同工况物理参数

从过去的研究成果可以发现，在研究含淹没或非淹没、刚性或柔性植被明渠的水流特性方面，所用的流速测量仪器以ADV为主，只有少量文献中用到LDV，且大多为一维或二维的，且从已有研究成果来看，研究内容大多局限于单重植被(植被直径和高低完全相同)对水流环境的影响，而研究双重(植被直径相同但两种不同高度)或多重植被对水流的影响较少[13]。本文利用利用美国TSI公司生产的3D-LDV对含双重植被和三重植被水流特性进行测量，并探究其对水流结构的影响。

1 实验设计

1.1 实验装置

实验是在作者所在单位流体力学实验室中的矩形玻璃水槽中完成的。该水槽长15 m，宽0.49 m，深0.5 m。流速测量使用美国TSI生产的3D-LDV，该仪器直接与电脑相连接，通过电脑控制坐标架沿x、y和z3个方向移动。该仪器流速测量范围为-150～600 m/s， 测量数据相对误差不超过1%，可用于气、液及多相流的测量。水位测量使用水位测针进行。

1.2 工况设计

该实验中植被为刚性植被，利用直径相同的玻璃棒来代替，玻璃棒直径为8 mm，长分别为12、22、42 cm 3种规格。玻璃棒排列方式均为等距平行排列。实验共设计3个工况，分别为单重植被(工况1)、双重植被(工况2)和三重植被(工况3)，每种工况根据不同的淹没度可分为3个子工况。单重植被的玻璃棒高度为12 cm，双重植被的玻璃棒高度分别为12 cm和22 cm，三重植被的玻璃棒高度分别为12、22、42 cm，均按由低到高的顺序沿水流方向布置20排植被，与壁面垂直的方向布置9排植被，纵向和横向的间距都为0.048 m。在多重植被排列方式中，沿横向和纵向高低不同的玻璃棒依次交替布置。水平植被密度为196株/m2。植被区位于水槽中游，距水流入水口7.8 m处，植被区全长0.92 m。

为了便于比较，定义一个物理量淹没度，等于水深与植被高度之比，其中植被高度以最矮植被为基准。表1给出了不同工况下的植被排列方式、淹没度、植被高度、水深、流量、水面坡降和垂向植被密度和体积植被密度。

1.3 实测位置

流速实测位置在沿水流方向(x方向)上共设置了8个实测断面。其中，第一个设置在植被区第一排植被上游0.40 m处，最后一个设置在植被区最后一排植被下游0.05 m处，另外6个设置在植被区：分别位于第3和第4排植被中间、第4排植被上、第10排植被上、第10和第11排植被中间、第15排植被上、第15和第16排植被中间，其中3个过植被，另3个在相邻两排植被中间，该8个断面与水槽进口处的距离分别为7.4、7.924、7.948、8.236、8.26、8.476、8.5、8.77 m。

由于植被位置与水槽中心线对称，因此沿与壁面垂直的方向(y方向)只测量1/2区域，共设置了9个实测断面，第1测量断面位于距水槽左壁面49 mm，即沿y方向第1排植被处，之后每隔24 mm设置一个测量断面，第9个测量断面位于沿y方向第5排植被处，即水槽中心线。这9个测量断面中5个在植被上，4个在两排植被之间。沿与水面垂直的方向(z方向)上，单重植被每个淹没度设置了5个测量断面，但其位置不同；多重植被(二重植被和三重植被)根据淹没度的不同，设置了不同数量的测量断面，淹没度为1.33时9个测量断面，淹没度为1.8时11个测量断面，淹没度为2.5时16个测量断面。z方向的测量位置以水槽底部为起点，距起点5 mm处为第1个测量断面，以后每隔20 mm布设一个实测断面。

水位实际测量位置沿x方向共设置了10个测量断面，前2个测量断面位于植被区上游，分别距第一排植被0.20 m和0.40 m，最后2个测量断面位于植被区下游，分别距最后一排植被0.20 m和0.40 m。中间6个测量断面位于植被区，第3个测量断面位于第3排和第4排植被中心处，然后，每隔3排植被布置一个测量断面。每个断面的测量位置位于水槽中心线处。

2 实测结果及分析

2.1 流速实测结果及分析

2.1.1多重植被流速大小比较与分析

为了反映多重植被对水流结构的影响，现将3种工况下淹没度为1.33时流速大小沿y方向的分布进行比较，选取的断面位于同一位置z=12.5 cm处，刚好在高为12 cm的植被顶端处。x方向依次选取第4、5、6、7和8断面(即x=x1，x2，x3，x4，x5)，其分别与第一排植被的距离为0.436、0.46、0.676、0.7、0.97 m，如图1所示。

图1 同一淹没度(1.33)下水平断面z=12.5 cm处流速大小沿横向分布

从图1可以看出，多重植被作用下流速沿横向分布均呈锯齿状，相比较而言，单重植被(工况1)时流速摆动幅度较小，流速沿横向分布比较规则；双重植被(工况2)次之，三重植被(工况3)时流速摆动幅度最大，流速沿横向分布很不均匀，部分位置流速偏大。这说明，植被重数越多，对水流扰动越大，造成水流不太稳定。相比较而言，在同一淹没度且植被排列方式一定的条件下，单重植被作用下水流流速较小，双重植被作用下水流流速较大，多重植被水流流速最大。

2.1.2不同淹没度下的流速大小比较与分析

图2 工况3不同淹没度下流速沿z方向分布

为了反映不同淹没度下含淹没刚性多重植被沿水深方向的流速分布特征，图2给出了工况3在3种淹没度下过水槽中心线的纵断面处流速大小沿z方向的分布，其中x方向取第1、2、4、5、8共5个断面，记为x=x1、x=x2、x=x3、x=x4和x=x5，其中x=x1位于植被区上游，x=x2、x=x3、x=x4位于植被区，x=x5位于植被区下游。这里z方向的坐标为相对高度，即所在位置与水槽底部距离和水深之比。

工况3中，存在3种高度不同的植被，其高度分别为0.12、0.22、0.42 m。淹没度为1.33时，上游第一排植被处水深为0.16 m，这时第一重植被(高度为0.12 m)被淹没，而第二重植被(高度为0.22 m)及第三重植被(高度为0.30 m)均露出水面；当淹没度为1.8时，上游第一排植被处水深为0.22 m，第一重植被完全淹没，第二重植被顶端正好位于水面处；当淹没度为2.5时，水深为0.30 m，这时第一重和第二重植被完全被淹没，第三重植被顶部仍露出水面。

从图2可以发现，在多重植被作用下，水流流速沿垂向的分布比较复杂。当淹没度为1.33时，第一重植被顶端以下的水域(z<0.75)，同时受三重植被的共同影响，另外还受水槽底部阻力的影响，流速较小。而当z>0.75时，水流仅受第二重和第三重植被的影响，流速相对较大。

当淹没度为1.8时，情形与淹没度为1.33类似，第一重植被顶端以下的区域(z<0.55)，同时受到三重植被及水槽底部的阻力影响，流速较小。而当z>0.55时，仅受第二重和第三重植被的影响，流速相对较大。

当淹没度为2.5时，流速沿垂向分布比较复杂。在第一重植被顶部以下区域(z<0.40)，由于同时受多重植被和水槽底部的共同影响，流速较小，出现一定波动。在第一重植被顶端以上且第二重植被顶端以下的区域(0.400.73)，流速突然增大。

2.2 紊流强度实测结果及分析

天然河道和实验室水槽中，水流一般均为紊流，其紊流的强弱可用紊动强度来描述，可定义为[14]

(1)

某一点处的总紊流强度D定义为该点处x、y、z三个方向的紊流强度的平方平均数，即

(2)

2.2.1不同工况紊流强度大小比较与分析

图3给出了3种工况下当淹没度为1.8时距水槽底部0.65 m处水平断面上紊流强度沿y方向分布。

从图3可以发现，由于受多重植被的影响，每个水平断面上总流动强度沿y方向的分布均呈犬牙状。总体而言，单重植被情况总紊流强度较小，沿y方向变化幅度较小，而二重和三重植被情况总紊流强度较大，波动幅度也较大。这说明多重植被比单重植被对水流的紊动影响较大。

图3 水平断面上总紊流强度沿横向分布

2.2.2不同淹没度紊流强度大小比较与分析

图4给出了工况3在不同淹没度下过水槽中心线处纵断面上总紊流强度沿垂向变化。x方向选取5条线，具体位置为x=x1位于第一排植被上游0.40 m处，x=x2位于植被区第3、4排植被中间，x=x3和x=x4分别位于第10排和第15排植被上，x=x5位于最后一排植被下游0.05 m处。这里z方向的坐标为相对高度，即实测点离开床面距离与水深之比。

从图4可以看出，总体而言，总紊流强度沿垂向分布具有如下特点：①淹没度越大，总紊流强度也越大；②淹没度较小时，总紊流强度沿垂向分布相对比较均匀，随着淹没度的增大，沿垂向波动幅度逐渐增大；③靠近水面处总紊流强度较小，靠近水槽底部，紊流强度较大；④植被区上游紊流强度比植被区小。

主要原因是：随着淹没度的增大，淹没在水中的植被数增加，对水流的紊动作用增强，从而总紊流强度增大，且沿垂向分布不均匀程度增加。由于部分植被淹没在水下，靠近水面处，受植被影响较小，从而紊流强度也相对较小。植被区上游，受植被的影响要比植被区小，从而紊流强度较小。

图4 工况3在不同淹没度下纵断面上总紊流强度沿垂向分布

2.2.3同一点处不同方向紊流强度大小比较与分析

以上比较的是总紊流强度沿横向和垂向的变化，现在来比较x，y，z三个不同方向的紊流强度的大小。

现就工况2中选取淹没度为1.33，对一个典型横断面处不同方向紊流强度大小进行比较，如图5所示。这个横断面位于第5、第6排植被间隙处。断面上选取5条垂直于床面的直线进行比较，这5条线分别位于横向第1至第5排植被上。

图5 工况2在淹没度为1.33时典型横断面处不同方向紊流强度沿垂向分布

从图5中可以发现，紊流强度的如下一些特性：①总体而言，x方向的紊流强度最大，y方向次之，z方向最小；②x方向的紊流强度在沿垂向呈波浪形分布，且床面附近较大，水面附近较小；③y方向紊流强度靠近床面处较小，水面处变大；④在双重植被中，在所淹没的第一重植被顶端(z=0.75)以下，z方向紊流强度很小，几乎为零，而第一重植被顶端上部，逐渐增大；⑤第一重植被顶端附近，紊流强度变幅较大。

3 结 论

在实验室水槽中布置不同高度组合的多重植被，分为单重、双重和三重植被3种工况，每种工况下又根据淹没度不同，分3种子工况，用3D-LDV等仪器对每个工况下水位、三维流速、紊流强度等物理量进行了测量，对实测结果进行了对比分析，主要结论有：

(1)在同一淹没度且植被排列方式一定的条件下，单重植被作用下水流流速较小，双重植被作用下水流流速较大，多重植被水流流速最大。

(2)在多重植被作用下，水流流速沿垂向的分布比较复杂。淹没植被顶端以下的水域，受多重植被和床面的共同影响，流速较小。淹没植被顶端以上的水域，流速相对较大。

(3)由于受多重植被的影响，每个水平断面上总紊动强度沿y方向的分布均呈犬牙状。总体而言，单重植被情况总紊流强度较小，沿y方向变化幅度较小，而二重和三重植被情况总紊流强度较大，波动幅度也较大。这说明多重植被比单重植被对水流的紊动影响大。

(4)其他条件不变时，总紊流强度随着淹没度的增大而增大；总紊流强度沿垂向分布波动幅度随着淹没度的增大而逐渐增大；总紊流强度随着水深的增大而逐渐增大；植被区紊动强度要大于非植被区。

(5)总体而言，x方向的紊流强度最大，y方向次之，z方向最小。