刚-柔、柔-刚性两种格局下植被水流特性试验研究

2022-10-27李露石喜李江涛

中国农村水利水电 2022年10期

李露，石喜，李江涛

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

近年来，随着生态文明理念的不断深入，水环境和水生态问题引起了广泛的关注。生长在天然江河湖泊中的水生植物，能为生物提供食物和栖息地，可以抑制泥沙再悬浮并有效改善水质；而植物根系可固结土壤，防止河床被过度冲刷，从而减少水土流失。但水生植物的存在改变了水流流动结构，导致流速减小、水位抬高，从而引发泥沙淤积，严重时可影响行洪安全。因此研究植被水流的水动力特性具有重要的现实意义［1］。

基于此，国内外学者针对水生植被和水流的相互作用机理开展了深入研究［2］。Ricardo 等［3］研究了含植物明渠水流特征变量。Thokchom 等［4］通过水槽试验利用声学多普勒流速仪ADV 研究了半覆盖植被的明渠水流特性。槐文信等［5］采用羽毛模拟柔性植被，研究了植被密度、淹没度及流量对明渠水流流速场的影响。吴福生和姜树海［6］针对柔性和刚性植被，采用ADV 对淹没植被的紊流特性进行了研究。张英豪和赖锡军［7］以苦草为对象，研究了植被水流雷诺应力、紊动能和时均流速的垂向分布特征。张凯［8］利用水槽试验研究了刚、柔性模拟植被与河道水流特性的关系。景何仿等［9］利用玻璃棒代替挺水植物，研究了不同工况下含水生植物的水位变化和流速分布。樊新建等［10］采用塑料草模拟柔性淹没植被，利用ADV对不同排列方式、不同淹没度下植被的水流特性进行了试验。Okamoto 和Nezu［11］使用PIV 技术对淹没植被斑块的紊流特性进行了测量。吴国英等［12］研究了柔性和刚性植被类型和淹没度对流速垂线分布的影响。Shin 等［13］采用ADV 研究了淹没度和植被密度对纵向流速和湍流剪切应力的影响。

可以看出，大多研究以单独的刚性或柔性的植被研究为主，而天然河道植物种类多样，形状和组成格局复杂，含植物水流特性各有不同。为此，本文以木棒和塑料模型草分别模拟刚性和柔性植被，在多功能明渠变坡水槽中，开展刚-柔、柔-刚两种植被格局下的水流特性试验，探讨流速分布、沿程水面变化及紊流强度，为植被水流的理论和河流生态修复提供参考。

1 试验装置与方法

试验在兰州交通大学多功能明渠变坡水槽中完成，水槽总长6、宽0.4、高0.3 m，底坡为0.3%。如图1 所示，试验系统由水泵、进水池、槽身段及回水水槽组成，水槽进水口安装消能管群（直径相同的PVC 硬细空心管构成）使来流平稳均匀，槽尾设有调节闸门，通过调节闸门开度可控制水位和流速。植被区距离水槽首端和尾端均为225 cm，为1.5（长）×0.4（宽）×0.1 m（高）的凹槽。试验时，通过电磁流量计测量水流流量，水深采用精度为0.1 mm 的测针测量，采用微型多普勒流速仪测量定点的时均流速，测流准确度为0.01 cm/s，分辨率为0.001 m/s，采样频率为25 Hz，时间60 s，详细情况可见相关文献［14］。待水流稳定后，每个测点测量3次，用统计平均值法计算时均流速。

图1 实验系统布置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system layout

选用刚性和柔性两种不同的水生植被进行试验，其中刚性植被采用直径为6 mm 的圆木棒模拟，淹没工况下植被高度13.8 cm；天然柔性植被选用塑料仿真草模拟，淹没状态下的平均高度为13.5 cm，外直径约为5 mm，具有一定的柔性，图2为模型植被。

图2 柔性-刚性植被Fig.2 Flexible-rigid vegetation

水生植物采用刚-柔布置和柔-刚布置两种格局，排列方式为梅花交错形式。两种格局下设置稠密和稀疏两种种植密度，第一排植被均距离植被区入口62.5 mm 的位置。稠密排列时，采用单排5 株、双排4 株的交错布置，纵向和横向株距分别为6.25、7.5 cm，共布置23排，植物密度为173 株/m2，如图3（a）和（b）所示；稀疏排列时，采用单排4 株、双排3 株的交错布置，共布置15排，纵向和横向株距均为10 cm，植物密度为88 株/m2，如图3（c）和（d）所示。

假定沿水流方向（纵向）为x方向，与壁面垂直方向（横向）为y方向，与槽底垂直的方向（垂向）为z方向。沿纵向x方向布设7 个观测断面（纵断面），沿程距离的起始坐标定于距离水槽最前端175 cm处，终于425 cm，其中，断面1 位于植被区入口上游25 cm处；植被区设5个测量断面，即断面2～6，断面2距离植被区入口2.5 cm，断面3、5 穿过植被空隙；植被布置沿断面4 对称，即断面4 左边为一种植被，右边为另一种植被，因此断面4也是体现植被格局的位置；断面6位于植被区出口边缘线上；断面7 位于距植被区下游30 cm 处。由于植被沿水槽宽度对称布置，沿横向y方向布设3 个测点，3 个测点各距离右边壁侧2.5、12.5、20 cm 的位置（分别用y1、y2 和y3 表示），分别代表植被河道边壁、边壁与中心线之间，植被河道中心线。沿垂向z方向从水槽底部3 cm 为起点，每隔2.5 cm 为增量设置一个测点，总共有6个测点。测点的具体布置如图3所示。

图3 两种格局下植被排列方式及测点示意图（单位：mm）Fig.3 Schematic diagram of vegetation arrangement and measurement points in the two patterns

试验采用4 种工况，如表1 所示，整个试验的水温为25 ℃，水流运动黏性系数为0.897×10-6m2/s，试验中雷诺数Re的变化范围均在6 880～21 118 之间，大于明渠临界雷诺数500，故水流为紊流，弗劳德数Fr在0.1～0.47 之间变化，均小于1，故水流为缓流。

表1 试验工况及水力参数Tab.1 Test conditions and hydraulic parameters

2 结果及分析

2.1 实测流速分析

2.1.1 纵向流速沿程分布

图4 为刚-柔布置格局下不同测量断面横向测点y1、y2 和y3的时均流速沿纵向变化，选取每个测点垂向第6个点（位于植物顶端以上靠近自由水面区，距离渠底15.5 cm）进行分析。可以看出，两种密度下纵向流速变化趋势基本相似，在刚性植被区域，流速波动较为平缓，原因可能是处于淹没状态下的刚性植被，水流经过时每个植被处的扰流作用相当，植被上层水流的流速变化相似，因而流速波动平缓；在柔性植被区域，植被在水流作用下产生横向和纵向的弯曲和摆动，影响植被上层区域使流速梯度增大，流速最大值基本出现在柔性区域末端。流出植被区域后，摆脱了植被的影响，流速有所减小。

图4 刚-柔布置格局下不同断面沿程流速分布图Fig.4 Distribution of velocity along different sections under rigid-flexible layout

比较不同横向测点的流速大小可以看出，在刚性区域，y2和y3 测点处的流速比y1 处的要大，这是由于靠近壁面，影响流速变化的因素除了植被外，还有壁面对水流的剪切作用，使流速减小；而在y2 和y3处，影响流速的主要因素为植被，测点基本靠近水面，刚性植被茎秆大小一样，对植被顶端水流的扰动在不同位置处基本相当，因而y2 和y3 处的流速变化无明显规律。在柔性植被区域，两种密度下y3 处的流速基本处于最大，而y1 和y2 处的流速变化不明显，这可能是由于柔性植被的来回摆动，从而影响到不同测点处流速梯度的变化。

图5所示为柔-刚布置格局下不同测量断面横向测点y1、y2和y3时均流速的纵向变化，测点仍然为植物顶端以上靠近水面的垂向第6测点。可以看出，两种密度下的纵向流速变化相似，在柔性区域，流速基本呈增大的趋势，这是由于受柔性植被摆动的影响，流速最大值仍然出现在柔性区域的末端（断面4）。之后，在刚性区域，流速有所下降，波动有所平缓。

图5 柔-刚布置格局下不同断面沿程流速分布图Fig.5 Distribution of velocity along different sections under flexible-rigid layout

2.1.2 纵向流速的垂线分布特征

图6 给出了刚-柔布置下测量断面1、3、4、7 的纵向流速沿垂线分布，每个断面上均取中心线y3 测点沿垂向结果，测点距离渠底分别为3、5.5、8、10.5、13 和15.5 cm。可以看出，不同断面的垂线流速分布变化各不相同。断面1 位于植被区外，基本呈“J”型分布，与无植被水流的分布一致，说明植物对水流的影响尚未波及到。断面3 位于刚性植被区，在植被的影响下使流速分布与无植被时的不同，在植物带以内受植物的阻挡，水流沿植被发生扰流，水流的受力状态复杂，流速波动较小；而在植物带顶端接近水面处的流速最大，比无植被影响时的还大，原因可能是，在植被的影响下，植物带顶端水流的速度梯度较大，使流速保持较大值，比较两种密度的流速分布发现，稠密布置下的流速波动比稀疏布置的波动要大，说明植被的影响作用明显。断面4 位于刚性与柔性植被的交界处，可见，断面4 的流速分布受两种植被的影响，基本呈“S”型，此时流速分布既受刚性植被的阻挡影响，又受柔性植被弯曲与摆动的影响，使流速变化较为复杂，在植物带顶端处的流速仍然最大。断面7 位于植物区下游30 cm处，流速分布基本呈“C”型，与无植被时的不同，说明断面7 处的水流仍受植被的影响，表明植被水流对下游的影响范围大于对上游的影响。

图6 刚-柔布置格局下不同断面的垂线流速分布Fig.6 Vertical velocity distribution of different sections under rigid-flexible layout

图7 给出了柔-刚布置格局下测量断面1、3、4、7 的纵向流速沿垂线分布，每个断面上仍取中心线y3 测点沿垂向的结果。可以看出，断面1 的流速分布仍然不受植被区的影响，呈“J”型分布；断面3 位于柔性区域，与图6（b）中相同断面的刚性植被相比，柔性区域的流速波动较大，原因可能是，淹没柔性植被在水流作用下容易发生弯曲、摆动，使植被水流扰动较大；而刚性植被在水流中基本固定不动，植被水流发生扰流时对水流的扰动较小。比较图6（b）还可以发现，柔性植被的顶端流速也大于刚性植被的，这是由于同一处在淹没下的两种植被，柔性植被的弯曲、摆动使植物带上层水流的流速梯度增大。断面4 位于柔性植被和刚性植被交界处，受两种植被的相互影响，流速分布基本呈“C”型，在植物带顶端仍保持较大的流速。从断面7的变化来看，流速分布仍然未摆脱植物区的影响。

图7 柔-刚布置格局下不同断面的垂线流速分布Fig.7 Vertical velocity distribution of different sections under flexible-rigid layout

2.2 沿程水位变化特征

图8 所示为刚-柔和柔-刚两种格局下的沿程水位变化，选取7个相同的测量断面，其中断面1、2、3、6和7与流速测量断面相同，而断面4 和断面5 的坐标在两种格局下均取300 cm 和337.5 cm 位置处。由图可以看出，两种格局下沿程水位的变化趋势一致，而稠密布置时的沿程水位高于稀疏布置的，说明稠密布置时阻水较大，水位壅高。断面1位于植被上游，受植被的影响较小，水位较低；断面2 刚进入植被区，由于处在第一排植被的前端，水位受后面植被的影响有所增加，但增加幅度不大；断面3位于植被内部，在植被的阻水影响下水位达到最大值，说明此处阻水最为严重；之后由于植被布置和排列方式不变，在每个位置处植被阻水的状况相似，而在坡降的影响下水位逐渐下降；断面7 位于植被区外，水位受植被的影响减小，基本恢复至无植被时的水位。

图8 刚-柔、柔-刚性两种格局沿程水位线Fig.8 Rigid-flexible and flexible-Rigid patterns along the water level

2.3 相对紊动强度的垂向分布

紊流紊动的强弱程度可采用相对紊动强度来表述，以脉动流速的均方根与相应时均流速的比值来反映，计算式为：

式中：I为相对紊动强度；u'为脉动流速；uˉ为断面平均流速。

图9给出了刚-柔和柔-刚两种格局下相对紊流强度的垂线分布，选取断面3 中心线位置的y3 测点进行分析，即刚-柔布置时测点为刚性植被，柔-刚布置时测点为柔性植被。可以看出，两种格局下相对紊动强度的变化趋势相似，在底部保持较低的紊动强度，说明底部位置对水流的扰动较小。从底部至水面相对紊动强度呈先增大后减小再增大的趋势，在水面位置处最大。这是由于淹没植被的高度离水面较近，在植被区，由于阻水影响对水流的扰动强烈，因此相对紊动强度变化幅度较大；而水面位于植物顶层区域，该区域受植物顶层流速梯度变化的影响、水面与空气交界的影响，存在着较强的能量和动量交换，因此相对紊流强度最大。比较图9（a）、（b）还可以发现，相同位置处，柔性植被的相对紊动强度比刚性植被的要大，这是由于柔性植被在水流作用下摆动，对附近水流的扰动强烈，因此相对紊动强度较大。