植草河床的垂线流速分布规律试验研究

鲁薇

（朝阳市水务局，辽宁朝阳122000）

1 概述

含植物河道是指自然界河道滩地、主槽或者岸坡人工种植或自然生长的植被群落，这些植物会对河道产生正面或者负面的影响。含植物河道不仅可以美化环境，还在固滩、固岸等方面具有良好作用，同时可以提高河流的自净能力，为水中的生物和微生物提供赖以生存的环境。但是，河床植物的存在很大程度上改变了原来水流的内部结构，增大水流阻力、加大滩地糙率系数、减小平均流速、缩窄河槽过水断面等，导致水位上升和部分泥沙淤积，从而影响整个河道的行洪能力。这些影响因素不仅与河流的特性相关，还与河床植物的种类、生长周期、种植密度等息息相关。因此，必须深入了解河床植被与水流的相互作用机理，确定含植物河道的流场分布规律和阻力特性。

在以往的研究中，学者多关注于含水生植物河道的水力特性研究，并且常常采用仿真植物模型或人工合成材料替代原型植物。这些人工植物虽然易于制备，但是自然生长的植物有其天然的植株密度、柔韧性和茎叶排列状态等自然特性，而且采用人工合成材料代替原型植物所涉及的模型相似律极其复杂，很难给出合理解答。因此，使用自然状态下生长的植物作为试验材料，深入探讨植草河床垂线流速分布规律与影响因素是非常有必要的。

2 试验概况

试验在沈阳农业大学水利学院水工实验大厅中进行。水槽长15.0 m、宽0.8 m、高0.2 m（见图1），槽底坡度为0.5%，试验采用的测量设备有LGY-II 型便携式流速仪、自动水位计等。试验选取 3 种流量（22.7，39.0，48.6 L/s）、3 种植物高度（17～18，11～12，7～8 cm）、2 种植物密度（600～800，1 700～1 800株/m2）。

图1 模型平面布置图

经过现场实地考察，此次试验选用东北地区河道滩地常见植被高羊茅作为代表性植物。种植采取整地播种，直播撒播的方法，通过人工修剪方式控制植物密度和植物高度。试验用土取自辽宁省沈阳市东陵区石庙子村，该地土壤属于浑河冲积平原土，为壤质草甸土。通过土工试验测得土壤的常规物理性质参数，见表1。根据试验所得数据可知，此次试验用土为粉质粘土。

表1 试验用土常规物理性质指标表

3 结果与分析

3.1 植草河床流态分析

水流流经植草段，造成上游一定程度的水面壅高，而后至植草段下游水位降低，断面平均流速减小。开始时，水流流经植被伴有波动现象，且植物前后有明显的漩涡区域，随着冲刷历时的增加，植物处于完全淹没状态，植物冠层以上水流流态逐渐恢复平稳。

植物枝叶细长柔软，具有一定的挠度和韧性，水流流经时，植被会顺水流方向发生弯曲摆动和偏转，且流速越大偏转越大，当流速与冲刷历时到达一定程度时，植被不再发生偏转，只是在其平衡位置产生轻微摆动。事实上，植被产生左右摆动的现象可以理解为植被迎水面和背水面的两部分水流对植被共同作用力的结果。同时植被的往复摆动导致了水流的紊动，从而消耗了水流的动能，宏观角度上看即是植被的存在增大了水流阻力。

3.2 不同流量对垂线流速分布的影响（见图2）

图2 大密度植草段垂线流速分布

由图2 可以看出，植草河床的水流流速垂线分布不符合对数分布。其分布大致呈现倒“S”型，将流速沿水深方向分为3 个区域，即植物淹没区、植物淹没以上区和处于它们之间的过渡区域。植物淹没区域的垂线流速变化范围较小，过渡区域的流速梯度很大，植物淹没以上区域逐渐恢复对数分布规律。流量对植物淹没区域、过渡区域流速影响较小，流速随流量的增大而增大，但变化范围不大；对植物淹没以上区域流速影响显著，在该区内，流量越大，流速越大，且变化幅度明显。

3.3 不同植物密度对垂线流速分布的影响（见图3）

由图3 可知，不同植物密度对流速沿垂线分布的影响显著，垂线流速随着植物密度的增大而减小。与其他影响因素相比较，植物密度对垂线流速的影响幅度最大。

图3 植物高度h=17～18 cm 植草段垂线流速分布

3.4 不同植物高度对垂线流速分布的影响（见图4）

图4 大密度植草段垂线流速分布

由图4 可以看出，植物高度越高，垂线流速越小，但流速随植物高度的变化幅度很小。植物高度的变化对植物淹没区域流速影响较小，流速随流量的增大而增大，但变化范围不大；对过渡区域、植物淹没以上区域内流速影响显著，在该区内，植物高度越高，流速越小，且变化幅度明显。

4 结论

1）试验采用室内物理模型和原体天然植物相结合的试验方法，试验结果经过验证可为相关研究提供技术参考。

2）植草河床的水流流速垂线分布大致呈现倒“S”型，沿水深方向将垂线流速分为3 个区域，即植物淹没区域、植物淹没以上区域和处于它们之间的过渡区域。植物淹没区的垂线流速变化范围较小，过渡区的流速梯度很大，植物淹没以上区逐渐恢复对数分布规律。