含淹没柔性水生植被群的弯道水流特性PIV试验研究

2024-01-26陈吉爽杨海鹏景何仿杨佳双齐锦辉白江洲

水力发电 2024年1期

陈吉爽，杨海鹏，景何仿，杨佳双，齐锦辉，白江洲

(北方民族大学土木工程学院，宁夏银川750021)

0 引言

由于河道、水库、渠系、湖泊中的水生植被会对水流特性、生物养分的提取和交换以及对水体净化、岸坡的稳定性等都具有重要的作用或影响。因此，水生植被是具有生态功能河流的重要组成部分，在水体生态生物修复中日益受到重视。然而，由于河道中水生植被的存在，改变了河流的水流结构，增大了水流的阻力，使河流的过流能力下降，处理不当往往会导致洪灾的出现。

赵芳等[1]采用微型声学多普勒测速仪(Micro ADV)测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布，分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响。顾继一等[2]借助圆形竹签进行交错排布，模拟不同淹没度下的刚性植被群，通过室内水槽试验，研究淹没度对植被群尾部水流纵向分布的作用机理。杨琰青等[3]利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。张凯等[4]在实验室水槽中，用塑料草代替水生柔性植被进行了系列试验，利用三维激光多普勒测速仪(LDV)等仪器测量了植被区在不同工况下的水位、三维流速、植被的倾斜角度、湍流强度等，并研究了它们与植被疏密程度和流量大小的关系。Jing等[5]用格子Boltzmann方法研究非淹没刚性植被的明渠水流结构特征。宋滢汀等[6]利用三维激光多普勒测速仪等仪器对实验室水槽中4种排列、4种淹没度下水生刚性淹没植被的扰流特性进行了测量和分析。马建平等[7]为了研究天然河道中非淹没刚性植被对水流的影响，对实验室水槽进行了加工，使其单侧具有二级漫滩，另一侧为主槽，并将刚性植被(用玻璃棒代替)布置在漫滩上，设置了3种典型工况(植被平行和交错排列、无植被的情形)，利用三维激光多普勒测速仪(3D-LDV)等仪器进行测量，并对结果进行了分析和比较。樊新建等[8]采用塑料草模拟河道中的柔性淹没植被，通过室内高精度水槽试验，用三维声学多普勒流速仪(ADV)对同种淹没度、不同排列方式下柔性淹没植被影响下时均纵向流速、垂向紊动强度、雷诺应力沿相对水深的分布特征进行了测量和分析。贾凤聪等[9]采用理论分析和遗传算法相结合的方法，提出了柔性植被环境下的阻力系数计算公式，建立了阻力系数与植被淹没度、植被阻力长度以及植被弯曲程度的定量关系。赵春霞等[10]利用ADV在明渠水槽中研究了淹没柔性植被对水流结构(如流速、雷诺剪应力、紊动强度和曼宁系数)的影响。Zhang等[11]利用PIV系统测量了不同植被配置和不同根长情况下的流速。通过对水位、流速、水头损失、雷诺应力、湍动能(TKE)等实测数据进行对比分析，得出含悬浮植被的明渠弯道水流运动的一般规律。从实测数据可以发现，植被区的水位和水头损失与悬浮植被的排列方式密切相关。

到目前为止，关于淹没刚性植被及淹没柔性植被的排列方式在顺直水槽中对水流结构的影响研究相对较多，而关于不同密度淹没柔性植被对弯道处水流结构影响的研究很少。本文在U形弯道水槽凸岸侧布置同种类型不同密度的植被群，用PIV等仪器对植被群下的弯道水位和流速进行测量，研究了弯道内布置淹没柔性植被群对水流特性影响的规律，研究结果在河流的防洪设计、改善河道通行、河道护岸工程建设等方面都具有十分重要的意义。

1 试验装置与试验方法

1.1 试验装置

1.1.1 粒子图像测速仪(PIV)

PIV作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值。PIV技术原理简单，就是在流场中撤入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度.应用强光(片形光束)照射流场中的一个测试平面，用成像的方法(照像或摄像)记录下2次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量，并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图等)。

1.1.2 U形水槽

本试验在上游直槽长1 600 cm，下游直槽长1 600 cm，中游为180°弯道，中心线半径为200 cm的U形弯道水槽中进行，水槽宽80 cm，在水槽进水口设有消能滤网、蜂窝形整流器和水面整流板，保证进水水流流态均匀。在弯道进口以及出口处用柔性接头连接上下游，可适应较大变形，并保证内部平顺连接。在水槽出水口设有活页式尾门，通过计算机控制，可使尾门开度发生改变，调节水槽水位。

1.1.3 植被

每株植被高8 cm，宽4 cm，将植被先按照平行排列方式镶嵌到固定的矩形框架模型上(长40 cm、宽25 cm)，植被在模型上的布置密度分密集和稀疏两种情况，再用玻璃胶水将矩形框架模型沾到弯道水槽之中，两植被群之间相距15 cm。水槽、PIV及植被模型如图1所示。

图1 试验仪器及模型

1.2 试验方法

1.2.1 工况布置

本次试验床面条件为定床，水槽坡度为0.1%，水槽水深12 cm；试验选取塑料草模型模拟沉水柔性植被在河流凸岸处对水流规律的影响，其中每株植被宽8 cm、高4 cm，均按照平行方式排列；在25°～45°断面之间和45°～60°断面之间布置植被密度分别为密集(1 170株/m2)和稀疏(350株/m2)的2种工况，如表1所示。

表1 沉水柔性植被实验工况基本参数

1.2.2 数据采集位置

按顺水流方向为x轴正方向，垂直于水流方向指向左岸为y轴正方向，垂直于水面向上为z轴正方向。弯道处沿x方向设置8个实测断面，断面1～断面8与y轴方向的夹角分别为0°、25°、45°、60°、90°、120°、150°、180°，其中，断面2位于植被群上游15 cm处，断面3位于两植被群中间，断面4位于植被群下游5 cm处。弯道处沿y方向设置4条测线，分别在距右岸5、25、55、75 cm处设置测线a、b、c、d，如图2所示。

图2 植被排列位置及实测断面

2 试验结果与分析

试验所测数据使用Matlab软件包和Excel软件进行处理，对水位、流速、横比降、水头损失和水力坡降分别进行计算，并绘制图表进行比较分析。

2.1 水位分布比较

2.1.1 水位沿纵向分布

测量不同工况下弯道沿x方向的8个断面的水位，实测水位沿程分布如图3所示。

图3 不同工况下水位沿纵向变化

由图3可知，无植被时，U形水槽弯道内水位沿程变化整体较平缓；在植被密集布置工况下，由于植被的阻水作用，断面3前水位有所壅高，高于不布置植被工况，而断面3下游水位低于无植被布置工况；在植被稀疏布置工况下，同样由于植被的阻水作用，断面3上游水位壅高，高于无植被情形，但低于植被密集布置工况，断面3下游水位低于无植被情形，但高于植被密集布置工况。

2.1.2 水位沿横向分布

测量不同工况下弯道沿y方向设置的4条测线(a～d)，选取典型断面2(25°)、断面3(45°)、断面5(90°)、断面7(150°)测量水位，测量结果如图4所示。

图4 典型断面处不同工况下水位沿横向分布

由图4可知，各种工况下在4个典型断面(断面2、断面3、断面5、断面7)处水位沿y方向呈上升趋势，这符合弯道水流运动基本规律。图4中，左面为凸岸，右面为凹岸。弯道处由于离心力的作用，水面出现横比降，凹岸水位高于凸岸。在不同工况下，断面2的水位从高往低的顺序依次为植被密集布置、植被稀疏布置、无植被；断面3的水位分布类似于断面2；断面5的水位从高往低的顺序排列依次为无植被、植被稀疏排列、植被密集排列；断面7的水位分布与断面5相同。出现这种现象的原因是由于柔性植被布置在断面3附近，在植被的阻水作用下，导致断面3上游水位升高，下游水位降低，且植被布置越密集，阻水作用越强，上下游水位变化幅度越大。

2.1.3 水面横比降

在3种工况下，每一断面分别取距凸岸5 cm和75 cm处，测出水位，计算出水面横比降，结果见表2。

由表2可知，在弯道离心力和植被群阻力的共同作用下，弯道中不同断面水面横比降均大于0，说明凹岸水位高于凸岸。不布置植被时，水面横比降相对较小，介于0.54%～0.99%之间。布置植被后，除断面1和断面2外，水面横比降在其他断面处均有不同程度的增大，工况3中在部分断面处(如断面5)，水面横比降约为无植被情形的2.5倍，而工况2在断面3、断面4、断面6、断面7、断面8处水面横比降也约为无植被时的2倍。因为在弯道中，当水流运动方向发生变化时，作用于水质点上的力除重力外，还会产生指向凹岸的惯性离心力，该两力的合力促使水流向凹岸聚集，造成凹岸的水面高于凸岸，所以形成了自凹岸向凸岸倾斜的横向水面比降。说明淹没柔性植被对弯道水面横比降影响较大。这是由于，两个植被群均位于凸岸附近，靠近凹岸处无植被，在植被阻流作用下，靠近凸岸处植被上游水位壅高，而靠近凹岸处植被上游水位变化不大，从而导致植被群上游(断面1和断面2)水面横比降比无植被情形变小。而越过第1个和第2个植被群后(断面3和断面4)，靠近凸岸处水位突然降低，由于植被的阻流作用，主流更加靠近凹岸，导致凹岸处水位比无植被情形升高，从而引起水面横比降总体增大。植被群之后的断面5～断面8在植被群的影响下，水面横比降也都有程度不同的升高。

2.2 流速分布

利用PIV测量每个断面凹岸和凸岸附近的速度，结果如图5所示。

图5 不同工况下断面平均流速沿程分布

由图5可知：

(1)在凹岸处，无植被工况下，流速沿程先下降然后上升。布置植被后，由于植被阻力作用，在植被群上游，流速整体比无植被情形要小，但在植被群下游断面，由于植被的挑流作用，主流更加更近凹岸，凹岸处流速一般大于无植被情形。

(2)在凸岸处，流速在3种工况下沿程均呈下降趋势，由于植被阻流作用，布置淹没柔性植被后，凸岸处流速总体明显小于无植被情形，而植被密集布置情形流速要明显小于植被稀疏布置情形，说明植被密集布置情形对水流的阻力更大，阻水效果更加显著。

3 水头损失及水力坡降

水流在运动过程中单位质量液体的机械能的损失称为水头损失。产生水头损失的原因有两种，外界对水流的阻力和液体的粘滞性。

为了分析弯道上下游及植被前后水头损失的物理特性，根据液体运动的能量方程，则有

(1)

式中，Z1、Z2分别为两断面处的水位，m；P1、P2分别为两断面处的大气压强，N/m2；V1、V2分别为两断面处的流速，m/s；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；hw为两断面处的水头损失，m。

由于试验中水槽处于同一大气压下，所以任意两断面的大气压强相同，从而得到两断面之间的水头损失为

(2)

单位渠道长度的压力水头线或重力水头线的降低值为水力坡降。计算公式为

J=hw/L

(3)

式中，J为水力坡降；hw为两断面的水头损失；L为两断面之间的实际距离。

为计算不同工况下弯道进、出口之间的水头损失和水力坡降，本试验取弯道断面2和断面7为研究对象，弯道进、出口之间水头损失及水力坡降结果见表3。

表3 弯道进出口水头损失及水力坡降

由表3可知，不同工况下水头损失和水力坡降不同。工况1没有布置植被，水头损失和水力坡降主要由弯道床面、边坡和水的粘滞性产生的，而工况2和工况3均布置了淹没柔性植被，相当于增大了床面糙率，其水头损失和水力坡降均大于工况1。工况2采用植被密集布置方式，这种布置对水头损失及水力坡降的影响大于工况3(植被稀疏布置情形)。从而说明在床面上布置的淹没柔性植被越密集，床面糙率越大，产生的水头损失也越大，水力坡降相应也越大。