淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响

赵汗青,唐洪武,闫 静,戴会超,刘志武

(1. 中国长江三峡集团有限公司,北京 100038；2. 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098；3. 长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098；4. 河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

水生植物广泛分布于天然河道及城市景观河流的滩槽区,是河流生态系统的重要组成部分。植物的存在改变了河道水流结构[1- 3],造成了独特的泥沙运动规律和河床冲淤态势[4],对河势稳定、防洪安全、潜流交换以及部分底栖生物的繁殖、生存均造成显著影响。

植物作用会引起局部床面由沙波向冲坑形态的转变[5]。龚政等[6]将水沙动力学模型与植被生长模型耦合进行数值模拟研究,结果表明植被直接影响潮滩水动力和地貌演变过程。van Katwijk等[7]研究植物群条件下的床沙级配时发现,密集分布的植物条件抑制泥沙起动、促进悬沙落淤,造成床沙粒径的细化；稀疏分布的植物条件则作用相反,造成床沙粒径的粗化。Wang等[8]、吕升奇等[9]开展相关研究得到类似的结论,即泥沙的起动流速随植物排列密度先减小、后增大,推移质单宽输沙率随植物排列密度先增大、后减小。实际上,植物排列密度影响床沙级配和泥沙运动,其本质原因在于不同植物密度改变了明渠紊流结构。

定义植物密度(λ)为单位床面面积对应的植物迎流面积。有研究表明:λ<0.04时,河道水流结构与无植物情况类似,属于床面剪切紊流,植物的存在增加了床面阻力、促进水流紊动[10]；0.1<λ<1.44时,植物层顶部的Kelvin- Helmholtz不稳定性诱发K- H涡的形成,流动为自由剪切混合层紊流,植物促进了上部植物层及植物层外部的水流紊动,并抑制下部植物层水流紊动[11]；0.04<λ<0.1时,流动兼具床面剪切紊流与自由剪切混合层紊流的部分特征[12],本文将其称为“类二重紊流”。一般情况下,含植物河道的水流结构不同于无植物条件,相应的床面冲淤特征也存在很大区别。已有的研究侧重于分析植物流条件下的水沙运动,忽略了对床面冲淤的研究,且并未建立紊流类型与泥沙运动或床面冲淤之间的联系。

本文采用室内水槽实验,通过改变植物排列密度来产生不同类型的紊流,研究不同类型紊流下的床面冲淤特征,揭示植物密度的改变引起床面形态特征发生变化的机理,探究床面起伏对流动的反馈作用,能够在一定程度上完善河流动力学理论,并为生态河道设计以及河流管理等工作提供理论指导。

1 实验系统的建立

实验在长12 m、宽0.6 m、深0.6 m的可变坡循环水槽中进行。水槽流量(Q)可控、沿程水深(H)可调,以利于产生恒定均匀流。利用直径dv、高度hv的圆棒模拟植物,并沿纵向(x向)、横向(y向)分别按照Lx、Ly的间距均匀布置植物,形成8 m×0.6 m的植物群,对应植物排列密度λ=dvhv/(LxLy)。利用声学多普勒流速仪(ADV)进行流动及床面形态测量。

床面条件包括平床和起伏(冲淤)床面2类。平床实验的布置见文献[12]，冲淤床面实验的水槽及植物布置见图1(a)。通过理论分析与预实验比选,确定粒径ds=0.38 mm的均匀沙为实验沙。实验步骤如下:① 在植物区铺沙并反复刷平；② 根据设定的流量、水深条件进行实验；③ 当植物区呈现规则的床面形态且沿程不变,植物区以外无明显输沙时,认为达到清水冲淤的相对稳定状态,并定义此时的床面条件为“起伏床面”；④ 将流速降低至小于泥沙的起动流速,进行床面形态测量；⑤ 在不破坏床面形态的前提下,将流量、水深缓缓降至0,并通过喷洒水泥粉的方式固化床面；⑥ 恢复实验流量、水深,进行流动测量。

测点布置见图1(b)。测量断面位于植物群起点的下游5 m处,沿断面布置2条典型测线,测线1和测线2沿y方向位于相邻两列植物之间,前者的平面投影沿x方向与植物排重合,后者的平面投影沿x方向位于相邻2排植物之间。根据Zhao等[12]的结论,可以将相同高度处的测量数据进行平均,以平均值代表流场的整体特性。

图1 实验布置示意[12](非等比例绘制)

本实验共设置6组工况(表1),包括3种植物排列密度条件、2种床面条件,均保持Q=32.4 L/s、H=18 cm、hv=6 cm、dv=0.6 cm不变。植物密度条件包括稀疏、中等、密集,分别以字母S、M、D表示,分别对应床面剪切紊流、“类二重紊流”、自由剪切混合层紊流的流动类型[12]。床面条件包括平整和起伏,分别以字母E、F表示。本文通过字母组合进行工况命名,如“ME”表示中等植物密度的平床实验。

表1 实验工况列表

2 结果与分析

2.1 床面的冲淤特征

实验开始以后,拍照记录不同时刻的床面地形,定性描述其动态演变过程。当达到冲淤相对稳定状态之后,测量床面地形,定量分析不同类型紊流作用下的床面形态特征。

2.1.1 床面地形的动态演变

图2展示SF工况(植物密度稀疏、床面起伏条件)的床面动态演变,表现为植物根部冲淤和沙波的综合作用。植物根部的冲淤发展与墩柱冲刷类似:植物迎水面向下水流直接“射”向床面,造成一定范围内的局部冲刷；在向下水流的持续淘刷作用下,形成环绕植物的马蹄形冲坑,并诱发产生相应的涡结构；马蹄涡作用将冲坑内泥沙带出坑外,造成冲坑尺寸逐渐增大并趋于稳定。该过程相对迅速,最终呈现漏斗型立面形态,见图2(b)的马蹄涡作用区。

对任一植物而言,其左右两侧的尾涡脱落频率、作用强度相当,在床面形成2条沿流向对称分布的“沙沟”线；同时,两侧尾涡的作用方向相反[13],造成尾涡携带的泥沙在植物后方堆积并形成沿流向的“沙脊”线。沙沟、沙脊交错分布,对应床面呈鱼尾状平面形态、棱锥状剖面形态,见图2(b)的尾涡作用区。

图2 SF工况的床面动态演变过程

沙波的发展过程可描述如下:① 实验开始之后,泥沙在床面迅速聚集并形成诸多微微隆起的小丘。小丘沿垂向增高并沿横向连接,形成顺直沙波,见图2(a)、图2(b),与无植物明渠的情况类似。② 沙波波高持续增加并向下游移动,发生顺直沙波向弯曲沙波的转变,见图2(c)、图2(d)。③ 沙波形态持续变化,最终呈现舌状平面形态,见图2(e)、图2(f)。张向东[14]在类似的水动力、泥沙条件下进行无植物水槽实验,得到顺直微弯的沙波床面。由此对比可知,植物的存在是造成舌状沙波的重要原因。分析认为,植物作用增加了局部水流阻力并阻碍沙波向下游移动。随着床面位置沿横向靠近植物,相应的阻碍作用愈发显著,最终造成沙波的平面形态呈舌状。

2.1.2 冲淤稳定的床面形态

SF工况(λ=0.005 6,植物密度稀疏)的床面地形见图3。在水槽中轴线附近Lx×Ly的床面范围内(即沿纵、横向分布的相邻4株植物之间),床面起伏落差3.9 cm,约等于102ds。其中,沙波长约15 cm、波峰高程1.2 cm、波谷高程-1.1 cm,波高2.3 cm。植物根部的床面同时受局部冲淤和沙波运动的影响,表现出明显的空间变异性:图3(c)中的I点处于植物迎水面冲刷区和沙波的波谷,床面高程z=-2.1 cm,对应冲刷最显著的位置；Ⅱ点位于尾涡作用区和沙波的波峰,床面高程z=1.8 cm,对应淤积最显著的位置；Ⅲ点位于植物后方马蹄涡作用区和沙波的波峰,床面淤高z=0.8 cm。Ⅲ点的淤积现象说明,相比于迎水面向下水流和马蹄涡引发的淘刷作用,床面剪切紊流引发的沙波作用主导局部床面的冲淤变化。

图3 SF工况下冲淤稳定时的床面地形

DF工况(λ=0.360 0,植物密度密集)的床面地形见图4。由于自由剪切混合层紊流作用于植物层顶部一定范围[12,15],此时的床面冲淤仅受植物根部水流运动的影响,相应的形态特征与含非淹没植物明渠的情况类似[16],表现为马蹄形冲坑与沙沟、沙脊交错分布,见图4(a)、图4(b)。图4(c)表明,沙沟、沙脊处的床面高程均大于0,即发生了床面淤积(见椭圆框区域)。最大冲深处对应床面高程z=-0.56 cm,最大淤高处对应z=0.24 cm,床面起伏0.8 cm,约等于21ds。

图4 DF工况下冲淤稳定时的的床面地形

MF工况(λ=0.045 0,植物密度中等)的床面地形兼具DF和SF工况下的部分特征,表现为马蹄坑- 沙沟/沙脊- 沙波复合形态,见图5(a)、图5(b)。根据实验数据,沙脊高度沿流向先增大后减小,其顶点与沙波的波峰重合,且沙波的平面形态同样呈舌状,见图5(c)红线。在该工况下,任意相邻2排植物之间有且仅有1条波峰线,说明沙波的平均波长约等于植物的纵向间距Lx=10 cm。最大冲深处对应床面高程z=-1 cm,最大淤高处对应z=1.2 cm,床面落差2.2 cm,约等于58ds。

图5 MF工况下冲淤稳定时的床面地形

从SF、MF到DF工况,植物排列密度λ逐渐增大,床面起伏逐渐减小。有研究认为泥沙的起动流速、输沙率均随λ呈折线型变化[8- 9],与本文结论存在一定的区别。作者分析发现,文献[8- 9]设定λ的取值范围较窄,分别是0.072～0.24[8]、0.06～0.36[9],但不同植物密度的实验工况较多；本文设定λ的取值范围较宽,但实验工况较少。进一步地,鉴于λ=0.1左右对应起动流速极小值和输沙率极大值[8- 9],推断在“类二重紊流”(0.04<λ<0.1)和自由剪切混合层紊流(0.1<λ<1.44)条件下,植物密度的增大将分别促进和抑制泥沙运动。

2.2 床面变形对流动的影响

2.2.1 床面剪切紊流

床面剪切紊流条件下(λ=0.005 6),流动特性参量沿水深分布见图6。实验条件对应宽深比B/H=3.33,水槽边壁对流动的影响较为明显,SE工况的最大流速发生于z=0.72H处(z=131 mm),与前人结论大致吻合[18],见图6(a)虚线。SF的地形冲淤显著,增加了床面阻力并相对减弱了边壁作用,造成最大流速的发生位置向水面移动并加剧流速沿垂向不均匀分布,见图6(a)。地形冲淤增大了粗糙次层的厚度[14],对应最大雷诺应力的发生位置上移,并促进水流动量交换,见图6(b)。

图6 λ=0.005 6条件下和Sw沿水深分布

图6(c)为偏态系数沿水深分布。Su=0和Sw=0的位置(即猝发现象发生变化的临界高度)基本吻合,并将水体分为上、下2层。在床面剪切紊流条件下,床面阻力主导紊流拟序运动,近床面区域产生了相应的涡结构并向水面演变[19],造成下层水体清扫、上层水体喷射。SE工况猝发现象的临界高度位于0.1H～0.2H,即18 mm

2.2.2 自由剪切混合层紊流

本实验自由剪切混合层紊流条件下(λ=0.360 0),流动特性参量沿水深分布见图7。结果表明:“最大流速下移”现象消失,密集分布的植物群“抬高了床面”；床面起伏造成近床面流速降低、近水面流速增加,见图7(a)；DF工况对应植物层外部(z>60 mm)的雷诺应力略小于DE工况的值,植物层内部(0

在自由剪切混合层紊流条件下,K- H涡的形成和发展主要取决于植物阻力[1]。地形的变化并不影响植物阻力,也未改变植物顶部流动的不连续分布,因此植物顶部处的流速梯度,即图7(a)的虚线斜率不随床面条件而变化。鉴于床面阻力与自由剪切混合层紊动之间无直接联系,床面变形对动量交换、临界猝发高度的影响也不显著。若将植物视作床面大尺度糙元,此时的上层类似于明渠流动的外区[11,20],相应的喷射作用同时受床面阻力和植物阻力的影响。地形冲淤增加了床面阻力,造成DF工况的喷射作用较DE工况剧烈,见图7(c)。

图7 λ=0.360 0条件下和Sw沿水深分布

2.2.3 类二重紊流

“类二重紊流”条件下(λ=0.045 0),床面变形对流速沿水深分布的影响程度介于自由剪切混合层紊流和床面剪切紊流之间,见图8(a)。床面起伏促进植物层内部的水流动量交换,与床面剪切紊流情况类似；抑制植物层外部的动量交换,与自由剪切混合层紊流情况类似,见图8(b)。相比于其他2种紊流条件,床面变形显著降低了猝发现象发生变化的临界高度,由ME工况的1.5hv(z≈90 mm)降低到MF工况的hv(z≈60 mm),见图8(c)。

在该条件下,植物阻力和床面阻力均对整个水深范围内的流动产生重要影响[12]。在床面以上一定高度的上部植物层,植物阻力和床面阻力将分别引起清扫和喷射作用[21]。图8(c)表明,在ME和MF工况,上部植物层区域(以40 mm90 mm),床面阻力和植物阻力均对应紊动的喷射现象,造成MF工况的Su和Sw绝对值大于ME工况的值。

图8 λ=0.045 0条件下和Sw沿水深分布

3 结 论

本文通过室内水槽实验,选择粒径均匀的石英沙,研究不同类型紊流条件下含淹没植被明渠的床面冲淤特征以及床面变形对流动的影响。主要结论如下:

(1) 床面剪切紊流条件下,床面冲淤形态为植物根部冲淤和沙波形态的叠加。床面变形对流动的影响与无植物明渠情况类似,加剧了流速沿水深不均匀分布并促进水流动量交换。

(2) 自由剪切混合层紊流条件下,冲淤床面的形态特征主要表现为植物根部冲淤,即马蹄形冲坑及其后方交错分布的沙沟、沙脊。床面变形对植物顶部的流动不连续性以及水流动量交换的影响不显著。

(3) “类二重紊流”条件下,床面的冲淤形态同样表现为植物根部冲淤和沙波的叠加。水流运动特性同时取决于植物阻力和床面阻力,植物阻力对植物层的猝发现象起主导作用。床面变形促进植物层内部的水流动量交换、抑制清扫作用,抑制植物层外部的动量交换、促进喷射作用。

致谢:感谢郑金雨、刘杰夫在实验过程中给予的帮助；感谢剑桥大学梁东方博士提供的有益讨论。