含刚性漂浮植被群河道水流特性试验研究

周弋玲，景何仿，王维红，陈秋同

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021； 2. 北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021；3. 北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021）

0 引 言

天然河流中分布着许多水生植被，水生植被的存在增大了水流的阻力，降低河流的过流能力［1］， 同时改变了河流的内部结构，使得水流形态更为复杂［2］。植被有不同的刚度、柔韧度、高度和水中分布位置，以不同的方式影响水流量，根据植被在水中的分布位置可将水生植被分为挺水植被、沉水植被、漂浮植被和浮叶植被。一方面漂浮植被繁衍能力较强，不受自然条件约束，会迅速覆盖整个水面，对行洪排涝和其他水生生物繁衍产生不利影响［3，4］。另一方面漂浮植被能够吸收河流中过剩的营养物质和有害物质，改善水质，提高去除污染物效率，为水生动物提供适宜的栖息地［5］，同时遮蔽射入水中的阳光，抑制水体中藻类的生长，常用于生态工程中净化污水和富营养化的水体，也因其外形美观逐渐用于人工生态河道和湿地的建设［6］。漂浮植被附近的水流结构和泥沙淤积会影响到漂浮植物的生长状况。因此关于漂浮植被群落对水流的水力特性影响的研究有较大价值。

近年来，由于含植被河道的水流流动有着复杂的生态和水动力效应，人们进行了大量的实验室研究和数值模拟研究。试验研究方面，焦军丽等［7］探讨了不同密度的非淹没的刚性植被群对河道水流紊动特性的影响，得出植被群密度与下游紊动强度的波动成正比。杨彧等［8］对淹没刚性植被群状态下，不同的布置方式的弯道水流特性进行了研究。宋滢汀等［9］通过水槽试验研究了多种排列方式和多种淹没度的刚性植被作用下水流特性分布规律。Shi 等［10］通过用刚性木制圆柱体模拟圆形植被斑块，试验分析泥沙颗粒尺寸、密度及水流流速对植被斑块周围泥沙沉积的影响。Li 等［11］测量不同密度下的刚性淹没植被斑块发现植被密度影响植被斑块后方流速的横向和纵向分布，植被斑块后方左右两侧深度平均流速随着植被密度的增大而增大。张凯等［12］利用三维激光多普勒测速仪（ADV）研究了不同植被密度和不同流量对含柔性植被河道水流特性的影响。槐文信等［13］总结了柔性淹没植被情况下的河床糙率公式。樊新建等［14］对不同排列方式下柔性淹没植被的水流特性进行测量研究。Huai 等［15］通过光谱和象限分析得到淹没柔性植被斑块在湍流中的动量传递特性。Downing-Kunz 等［16］使用ADV 研究了具有羽状根系的自由漂浮水生植物根冠层的水动力效应。Plew 等［17］用刚性圆柱模型模拟漂浮植被，采用ADV 和二维粒子跟踪测速仪测量不同入水深度的漂浮植被明渠水流的流场分布。韩丽娟等［18］用电子应力计基于边界层理论对漂浮植被受到的拖曳力进行分析。数值模拟方面，Zhao等［19］通过水槽试验验证了大涡模型（LES），利用LES 分析不连续刚性淹没植被斑块流动的平均速度分布和湍流特性。Jing等［20］采用格子玻尔兹曼法（LBM）对水槽中含刚性植被的流动结构进行了二维数值模拟。许栋等［21］开展流固耦合数值模拟，研究柔性植被在水流作用下的弯曲及运动响应，分析植被涡激振动特性及水流阻力规律，表明植被刚度影响植被的阻水规律。蔡银娟等［22］在多松弛模型中加入植被拖曳力，对不同密度和排列方式组合的非淹没刚性植被的水流结构进行了数值模拟。

国内外学者多集中于对含挺水或沉水植被的明渠水流水力特性研究，而对漂浮植被的研究相对较少。植被的空间分布很少是均匀的，常以群落的形式出现在河道中［23-25］，而大多数研究集中在单个植被或由植被组成的单个植被斑块，而由多个植被斑块组成的植被群落的研究成果较为匮乏。基于以上情况，本文运用矩形截面玻璃水槽模拟天然河流，以刚性漂浮植被群落为研究对象，采用JFM（Joy Fluid Measurement）系列的高速粒子图像测速仪（PIV）和无线超声波水位测量系统对观测断面的水位和流速进行测量，研究刚性漂浮植被群不同入水深度、布置方式、植被密度对河道沿程水深变化、纵向流速分布、紊流强度的影响。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

该实验是在北方民族大学水力学实验室的一个U 型自循环可变坡水槽进行的，该水槽总长38 m，其中上、下游水槽直段长16 m，中部为中心角180°弯道进行连接，长为6 m，过流断面为边长0.8 m 的正方形。水槽壁面和底部均为钢化玻璃，尾门为自动推拉式人字门，水槽底坡为0.1%顺坡。

流场测量利用PIV系统，该系统主要由片状光源（激光）、高速CCD 相机和示踪粒子组成，试验时使用StreamPix 软件以28.5 fps（每秒帧数）连续采集获得2 000 个高分辨率粒子照片，然后使用PIV 计算软件对2 000 个瞬时流场处理得到时均流场。水位利用超声实时测量系统测量， 测量探头对称布置在水槽两岸， 水位和流量在计算机上自动读取。植被由相对坚硬的茎组成，它们的横截面通常呈圆形，在水面以下没有叶子，因此常用刚性圆柱体来代替天然根茎进行实验研究。该试验用长0.9 m，直径0.01 m 的圆柱形玻璃棒来模拟刚性漂浮植被，单株植被按照一定密度交错排列成矩形植被斑块，本研究中由两个植被斑块构成植被群落。在水槽顶部安装了可以沿水槽自由移动的双层长方形玻璃架用来固定玻璃棒，实验时可自由调整玻璃棒入水深度。试验装置如图1所示。

图1 试验仪器设备Fig.1 Measured instruments

1.2 试验方法

本次试验中的植被群落由两个植被斑块构成，第一块植被斑块位于距离入水口10 m处，第二块植被斑块位于距离入水口11 m，两块植被斑块沿水流方向长均为0.50 m，沿垂直于水流方向宽度根据不同工况设置为0.8 m 和0.4 m 两种情形。为研究植被入水深度对水流特性的影响，该试验共设置了8种工况，水槽进口处流量均为0.052 m3/s，通过尾门控制出口处水深为0.14 m，初始平均速度为0.5 m/s。其中工况1 为对照组，不设置植被，工况2～4 的入水深度分别为0.13、0.08、0.04 m，布置方式均为全断面布置，植被密度均为2.297%。工况5 和工况6 的入水深度均为0.04 m，布置方式分别为1/2 同侧布置和1/2 异侧布置，密度均为2.297%，工况7 和工况8 的入水深度均为0.04 m，布置方式均为全断面布置，植被密度分别为1.590%和1.237%。植被各工况的实验组次见表1。

表1 试验工况基本参数Tab.1 Basic parameters of experimental conditions

在植被区及上下游选择7 个横断面进行流速测量，分别位于距离水槽进水口9.70、10.00、10.25、10.75、11.25、11.50、11.80 m处（编号为断面a～断面g）。在各测流断面上设置5条测线，分别位于距离右岸0.10、0.25、0.40、0.55、0.70 m 处。水位测量断面在流速测量断面基础上增加3 个断面，一共设置了10 个测量断面，增加的3 个断面分别是离水槽进水口10.50、11.00、12.10 m（编号为断面1～断面10）。每个水位测量断面左右两岸各设置一个测点。流速、水位测量断面及流速测线位置如图2所示。各个工况植被具体布置方式如图3所示。

图2 试验断面及测线布置（单位：m）Fig.2 Measured cross-sections and lines arrangement

图3 不同工况植被平面布置图（单位：m）Fig.3 Vegetation positions of various cases

2 试验结果与分析

2.1 实测水位沿程分布

为了反映不同入水深度、布置方式以及密度对水面坡降的影响，将试验区域分为上游、中游、下游3个子区域，上游为断面1～断面4，总长0.8 m；中游为断面4～断面6，总长0.5 m；下游为断面6～断面10，总长1.0 m。现将8 种工况下水面坡降计算出来，如表2 所示。可以发现，试验区域中游水面坡降最小，上游水面坡降最大，即植被斑块之间水面变化最小，第一块植被斑块前后水面变化最大。影响因素中入水深度对水面坡降影响最大，植被布置方式的影响次之，植被密度的影响最小。

表2 不同工况水面坡降Tab.2 Water surface slope under different cases

为了研究漂浮植被群对水位的影响，将8 种典型工况下研究区域处的水位沿程分布进行了对比，如图4 所示，图4 中采用平均水深H对测量水位进行无量纲化处理。从图4 中可以发现，受漂浮植被阻力作用，水流对植被区上游有明显的壅高作用，在植被区下游又逐渐回落。无植被时，流量不变，水位处于较平稳的状态，变化不大。当布置植被时，植被区上游水位壅高，进入第一个植被斑块后逐渐下降，在第二个植被斑块前又逐渐上升，当进入第二块植被斑块后再次下降，流出整个植被区后逐渐恢复至原来水位。

图4 不同工况下沿程水位分布Fig.4 Water level distribution along the way under different cases

通过比较工况2～4发现，在同一排列方式和密度条件下，植被入水深度越大，水面壅高及水面坡降也越大。对比工况4～6发现，在同一入水深度和植被密度情况下，全断面布置比半侧布置的工况的水面壅高和水面坡降的影响更大，其中，1/2 同侧布置比1/2 异侧布置的工况对上游的水面坡降影响较大，对中游水面坡降影响较小，对下游水面坡降影响不太明显。对比工况4、7、8发现，在同一入水深度和排列方式条件下，植被密度越大，水面壅高和水面坡降越大，综合来看，植被入水深度比植被布置方式和植被密度对水面坡降和水面壅高的影响更大。

2.2 实测流速比较分析

针对流速测量断面d，横向选取与右岸相对距离为y/B=0.5的垂线，各工况下的纵向流速沿垂向分布如图5 所示。对比工况1～4 可以看出，无植被时，仅考虑槽底糙率的影响，水流流速分布符合明渠水流分布规律。在布置漂浮植被后，水流流速受到槽底和植被的共同作用，沿垂向重新进行分配，与工况1有所不同。工况2 植被入水深度与水深相同，相当于非淹没挺水植被的情形，水流流速整体较小，沿垂向变化幅度较小，近似呈直线型分布。工况3 和工况4 植被入水深度不同，植被群根部以下与流速增加，植被群根部流速很小，而最大流速出现在植被群根部到水槽底部连线的中心处。相比较而言，若植被入水深度较大，则植被群根部以下区域最大流速也相应较大。其原因是漂浮植被根系的阻水作用，根系附近速度减小，但植被根部以下区域由于过水断面面积的减小，导致水流速度增加，而且随着植被入水深度的增加，过水断面面积减小幅度增大，平均水流流速也相应增加幅度变大。

图5 不同工况纵向流速沿垂向分布Fig.5 Distribution of longitudinal flow velocity along the vertical direction of different cases

对比分析工况4～6 发现，植被的布置方式对水流纵向流速沿垂向分布也有一定影响，但总体影响相对较小。相比较而言，半侧布置植被（工况5 和工况6）后纵向流速沿垂向的平均值要大于全断面布置植被的情形，同侧布置植被的平均流速要大于异侧布置的情形 。

植被群的密度对植被区水流流速分布有较大影响。随着植被群密度的增加，漂浮植被根部以上区域水流流速减小，而根部以下区域及没有布置植被的另一侧区域水流流速增大。水流经含植被的河道时自由表面会呈现振荡行为，植被密度越大，植被群内的振幅越高［11］。从图5可以看出，随着植被群密度的增加，植被群根部以下区域水流流速与植被群密度呈正相关，即流速随着植被群密度的增大而增加，而植被群根部以上区域与植被群密度呈负相关，即流速随着植被群密度的增大而减小。

为了反映植被的布置方式对水流流速沿横向分布的影响，以工况4、5、6为例，选择4个典型流速测量断面c、d、e和g，在其上取距离水槽底部0.1 m 的水平线上的纵向流速进行比较，如图6所示。

图6 工况4～6纵向流速沿横向分布Fig.6 Distribution of longitudinal flow velocity along transverse direction of Cases 4～6

图6表明，植被布置方式对纵向水流流速影响较大，各断面处的纵向流速沿横向分布有明显不同。工况4由于全断面布置植被，流速沿横向分布比较均匀，工况5 中，两个植被斑块均布置在水槽右岸附近，右岸附近受到植被阻力影响，流速变小，水流被挑到左岸，左岸流速变大。因此，工况5 条件下，不同断面处纵向流速呈左高右低的趋势，但在靠近左岸处，由于边壁的阻力影响，流速变小。工况6 中，第一个植被斑块靠近右岸，而第二个植被斑块靠近左岸，因此，在第一个植被斑块所在断面c上，流速从右岸到左岸也呈现增大趋势，而在两个植被块中间的断面d 上，水流一方面受到上游植被斑块的作用，另一方面，也受下游植被斑块的影响，流速沿横向分布比较均匀。在第二个斑块所在断面e 上，纵向流速呈左低右高趋势。在断面g 上，受第二个植被斑块的影响，纵向流速仍呈左低右高的趋势。

工况5 同侧布置植被（植被斑块均布置在右侧），靠近右岸流速沿水流方向逐渐变小，左岸流速沿水流方向逐渐变大，纵向流速横向变化幅度沿水流方向逐渐增大，在断面e处流速沿y方向变化幅度达到最大，这种现象称为叠加效应。工况6 异侧布置植被，水流受到两侧植被斑块的作用，流速沿横向的变化趋势由左高右低先变为近似水平，然后变为右高左低，然后又变为近似水平，这种现象称为中和效应。

2.3 紊动强度分布

现在来研究漂浮植被对河道水流紊动强度的影响，由于漂浮植被的存在，导致水流紊动作用的加强，从而影响河道中泥沙和污染物的输移。用紊动强度TKE（Turbulence Kinetic Energy）表征紊流特性。通过PIV 系统测量观测断面的瞬时流速，采样频率为28.5 fps，采样时间为80 s 左右，每个观测断面得到2 000 个瞬时流场，再对2 000 个瞬时流场取均值得到时均流速，紊动强度由脉动流速的均方根来表示，脉动流速为瞬时流速与时均速度之差，所以紊动强度（TKE）计算公式为：

式中：N为采样次数；u′i为脉动速度；ui为瞬时速度；为时均速度。

由植被斑块组成的植被群影响着植被群附近范围内的紊动强度分布。为了便于比较，文中将（1）中计算得到的紊动强度用断面平均流速U进行无量纲化处理，即用TKE/U来表示紊动强度。

针对各种工况，在每个测流断面上的河道中心线上，选取距离水槽底部0.11 m处，利用PIV所测的紊动强度进行比较，如图7所示。

图7 不同工况下紊流强度沿程分布Fig.7 Distribution of turbulent kinetic energy along the way of different cases

可以发现，没有布置植被的水槽中紊动强度相对较小，一般位于0.05～0.1之间，布置植被群后，各断面处紊动强度均有一定程度的增幅。断面a 和b 位于植被区上游，布置植被前后增幅较小。断面c 和e 分别位于第一、二植被斑块内，受漂浮植被扰流作用，紊动强度变幅较大，为没有布置漂浮植被的1～4倍左右。断面d 位于两个植被斑块之间的无植被区域，紊动强度变幅相对较小。断面f和g位于第二个斑块下游区域，受上游植被群的影响，紊动强度变幅仍较大。

为了进一步研究紊动强度的变化规律，选取两个植被斑块之间的断面d，每个断面取距左岸分别为1/4B、1/2B、3/4B 的三条垂向测线，将8 个工况下的紊动强度进行比较，如图8 所示。可以看到，在不布置植被时（工况1），紊动强度从床面向水面呈减小的趋势，这与文献［21］中的结论是一致的。工况2 入水深度等于水深，根部接触到水槽底部，各条测线上紊动强度沿垂向分布均匀，这与流速沿垂向的分布基本一致。这是因为工况2条件下，全断面布置植被，且为非淹没挺水情形，因此，沿垂向水流接近均匀，流速和紊动强度均是均匀的。工况3 和工况4与工况2植被布置方式类似，也是全断面布置植被，但植被入水深度分别为水深的1/2 和1/4。这时由于植被对水流的扰动作用，水体间动量交换剧烈，加强了紊动效应。在漂浮植被根系附近和床面附近，紊动强度达到的极大值，而在植被根部和床面的连线中点附近，紊动强度达到极小值。植被群根部上方水体的紊动强度大于下方水体，但下方水体的紊动强度变化比较剧烈。

图8 不同工况下紊流强度沿垂向分布Fig.8 Distribution of turbulent kinetic energy along vertical direction of different cases

现在来研究植被斑块布置位置对紊动强度的影响，图8 中（d）、（e）、（f）表示在植被斑块位置不同时紊动强度沿垂向的分布。可以看出，全断面布置植被时（工况4），紊动强度在不同测线上分布基本相同，而仅单侧布置植被（工况5）和异侧布置植被（工况6）时，各条测线上稳定强度沿垂向分布有较大差别。紊动强度在植被区与无植被区的交界处最大，所以植被斑块半侧布置的工况5 和工况6 的河道中心断面的紊动强度最大，这是因为在植被斑块旁水体扰流作用增强，横向流速加大，导致其紊动强度变大。对于工况5来说，在植被群根部以上水体，水槽右侧的紊动强度大于水槽左侧。而异侧布置的工况6，在上方植被层中，同工况5一样，水槽右侧的紊动强度大于水槽左侧的紊动强度。

现在来研究植被群密度对水流强度的影响。图8 中（d）、（g）、（h）分别代表全断面布置植被，植被入水深度相同，但植被群密度分别为2.297、1.590、1.237时测流断面d上不同测线上紊动强度沿垂向的分布。可以看出，植被群密度对紊动强度分布有一定影响。针对植被群根部以下水体，不同植被群密度对紊动强度影响较小，没有明显区别；但对于植被群根部以上水体，紊动强度沿垂向呈增大趋势，且紊动强度随植被群密度减小而增大。这是因为，随着植被群密度的减小，植被群对水流的阻水作用减弱，流速变大，且沿垂向变化幅度增大，导致紊动强度也相应变大。

3 结 论

本文利用PIV对含漂浮植被的实验室水槽水流有关参数进行了测量，并对实测结果进行了分析比较。试验中，用玻璃棒代替植被，设置了8 种典型工况，研究了植被根系入水深度、植被布置方式、植被群密度对水流结构的影响，主要结论如下。

（1）漂浮植被对植被区上游水位有明显壅高作用，从而产生一定水面坡降。当布置漂浮植被后，植被区上游水位壅高，进入第一个植被斑块后逐渐下降，在第二个植被斑块前又逐渐上升，进入第二块植被斑块后再次下降，流出整个植被区后逐渐恢复至原来水位；在同一排列方式和密度条件下，植被入水深度越大，水面壅高及水面坡降越大；在同一入水深度和植被密度情况下，植被全断面布置比半侧布置的工况的水面壅高和水面坡降的影响更大；植被同侧布置异侧布置对上游水面坡降影响较大，对中游水面坡降影响较小，对下游水面坡降影响不太明显；在同一入水深度和排列方式条件下，植被群密度越大，水面壅高和水面坡降越大。

（2）漂浮植被群的入水深度及布置方式对水流流速分布有显著影响。植被群根部以下自由水体的流速增加而上部水体水流速度减小，最大流速出现在植被根系末端与水槽连线的中点附近。增加植被入水深度，导致植被群根部以下水头流速增大，同时流速最大值位置也随入水深度的增加而下移；植被布置方式对水流流速分布有显著影响，半侧布置植被纵向流速沿垂向的平均值要大于全断面布置植被的情形，同侧布置植被的平均流速要大于异侧布置的情形。

（3）漂浮植被群的密度对植被区水流流速分布也有一定影响。随着植被群密度的增加，漂浮植被根部以上区域水流流速减小，植被群根部以上区域与植被群密度呈负相关，而根部以下区域水流流速增大，植被群根部以下区域水流流速与植被群密度呈正相关。

（4）漂浮植被群的入水深度和布置方式对水流紊动强度的分布有较大影响。在漂浮植被根系附近和床面附近，紊动强度达到的极大值，而在植被根部和床面的连线中点附近，紊动强度达到极小值。植被群根部上方水体的紊动强度大于下方水体，但下方水体的紊动强度变化比较剧烈；全断面布置漂浮植被后，紊动强度在不同测线上分布基本相同，而单侧布置植被和异侧布置植被时，各条测线上紊动强度沿垂向分布有较大差别，紊动强度在植被区与无植被区的交界处最大。

（5）植被群密度对紊动强度分布有一定影响。针对植被群根部以下水体，不同植被群密度对紊动强度影响较小，没有明显区别；但对于植被群根部以上水体，紊动强度沿垂向呈增大趋势，且紊动强度随植被群密度减小而增大。