水生植被生长特征对渠道水动力学影响研究

2024-05-06姚刚

海河水利 2024年4期

姚刚

（费县许家崖水库管理中心，山东临沂 273400）

输水渠道是灌区实现水利调度、水资源供需关系匹配的重要载体[1，2]，渠道运营可靠性不仅与其衬砌结构[3]、运营工况[4]密切相关，而且其安全受渠内水生态、水力特征等影响。孙夫建[5]、赵万勇等[6]为研究输水渠道内渗流场分布特征，采用了Fluent 模拟计算方法，并在实际工程案例的基础上，分析了渠道内过流流态、动水势能以及水位演变特征，探讨造成渠内非稳定渗流的影响因素。输水渠道中常见有水生植被、微生物等，这些构成了渠道水生态体系。微生物的分布特征会影响渠内渗流场变化。张强[7]、王传涛等[8]通过模拟渠道微生物分布以及水生植被，探讨了渠内流速、水位等参数与之关联性，从而为渠道整治、清淤提供参考。

1 工程概况

许家崖水库位于山东省临沂市费县境内，承担着临沂地区的农业灌溉、水力发电、防洪排涝等重要任务，对调节区域水生态、水环境及供水体系具有重要价值。许家崖水库水系，如图1 所示。水库上游为温凉河干流，年径流量超过120 m3/s，控制河道流域面积为350 km2。水库设计库容2.93亿m3，坝顶最高31.6 m，设计洪峰水位148.4 m，坝顶高程分布为145.5～151.6 m，宽度为7.5～8.5 m。监测设备反馈数据表明，水库心墙坝曲率、长度等设计方案在洪峰过境、日常泄洪调度工况中均具有良好表现，最大坡降维持在0.02 以下。作为水库发挥灌溉、水资源调度的直接载体，许家崖水库输水工程目前在营干渠长度为48.5 km，支渠长度为56.8 km，年输水量超过2 800 万m3，是临沂地区高桥、白彦农业灌区主要供水水源地。水库二期工程不仅需要扩建干、支渠，还需对已有灌渠进行清淤、防渗处理，以减少渠内输水耗散率，增大渠内水力稳定性。从灌渠工程运营现状调研得知，目前大部分干渠内水生植被分布较广，输水工况受此影响显著，故应探讨水生植被分布对干渠水力特征的影响。

图1 许家崖水库水系

2 试验设计

为探讨水生植被特征对渠道输水影响，设计采用渠道模型进行试验，研究不同水生植被生长特征下渠内水力参数的变化。所建立的梯形渠道水工模型，如图2 所示。渠道内设置有模拟微生物分布的粗糙面，所在渠道断面与许家崖水库输水灌渠东干渠桩号K6+235—K6+320 处一致，几何比尺为25，模型轴长为8 m，渠底坡度、渠坡土层特征与实际输水灌渠一致，流量比尺设计为1 000[9]，下游设置有模拟水闸控水设施。模型试验中，供水动力系统具有可循环回收特点，水位测试仪、流速监测传感器等均布设在相应断面上，每个监测探头布设点距离渠坡脚10 cm，流速探头在渠底、中与顶层均有布设，试验前所有测试设备均需进行标定调整，确保试验中测试精度满足要求。渠道断面监测点，如图3 所示。各监测点间距为0.5 m，共有16 个监测断面，试验中所有数据均为实时传输、独立验证。

图3 渠道断面监测点

渠内水生植物生长特征包括植被生长间距、植被根径等参数。从灌渠实际调查得知，主要水生植物为蒲草等，其根径为0.1～0.2 mm，但植被分布间距在不同区段有很大差异，为10～40 mm。模型试验中水生植被布置，如图4 所示。试验中假定植被横向和纵向间距相等，分别设置有10、15、20、25、30、35、40 mm 共7 个方案，所采用的植物簇与渠道全断面水生植物分布基本类似，植被形态、生长期均视为一致。

图4 水生植被布置

水生植被生长特征会直接影响渠内水体渗流变化，入渠流量会影响渠内水力参数。试验中，以上游控制闸门为流量阀，设计流量分别为6、8、10、12 L/s。基于不同入渠流量工况、不同水生植被分布特征方案下渠道输水试验，分析渠内渗流场及水力参数影响变化。

3 入渠流量对渠内水力特性的影响

基于不同入渠流量工况下渠内断面水位监测，计算得到入渠流量与渠内水位变化关系，如图5 所示。从图5可以看出，同一种植被生长间距方案下，即使入渠流量各异，但渠内水位变化特征相似，在水生植被生长间距为20 mm时，各工况均呈“先减后稳定”变化，稳定断面起始于4 m；而在水生植被生长间距为35 mm时，各工况均呈“先增后减”变化，峰值水位断面位于3.5 m。对比图5（a）和（b）可知，入渠流量改变不会影响渠内水位变化特征[10]，而植被生长间距不同则会改变渠内水位变化趋势。

图5 不同入渠流量下渠内断面水位特征

对比入渠流量与渠内水位高度关系发现，当入渠流量增大，则水位愈高，但流量为10 L/s工况后，渠内水位整体增幅变小。当植被生长间距为20 mm 时，在入渠流量为6 L/s 工况下，其最低水位为13.5 cm，全断面上平均水位为14.9 cm，而在入渠流量为8、12 L/s 工况下最低水位较之前者分别提高了8%、42.1%，平均水位分别达16.1、21.1 cm，总体上流量每增大2 L/s，则其断面平均水位可提高2.1 cm，增幅为12.6%。当植被生长间距为35 mm时，在入渠流量为6～12 L/s工况下，峰值水位分布为19.9～31.3 cm，流量每梯次变化2 L/s，则峰值水位平均增幅16.8%，4 种流量工况下，全断面平均水位较之植被生长间距为20 mm 时的差幅为33.6%～72%，分布为19.9～31.3 cm。由监测数据结果分析可知，入渠流量不会影响渠内水位变化趋势，但会影响渠内水位高度，且其影响效应在入渠流量为10 L/s后减弱。

4 植被生长特征对渠内水力参数的影响

4.1 水位变化

植被生长特征会改变局部渠内渗流场特征，从而影响渠内水力特性。植被生长间距与渠内水位变化特征，如图6 所示。从图6 可以看出，同一入渠流量工况下，不同植被生长间距方案的渠内水位变化各有特点。以流量6 L/s 为例，该工况下植被生长间距为10～15 mm方案中，渠内水位呈“稳定—突增—突降—稳定”变化，突增、突降段位于断面4～6.5 m；在植被生长间距为20～30 mm方案中，渠内水位呈“先降后稳定”变化，在断面0.5～4 m 具有水位降幅特点，之后水位长期处于稳定状态；在植被生长间距为35～40 mm 方案中，渠内水位呈“先增后降”变化，峰值水位位于断面3 m 处，水位具有增、减2 个区段。经分析认为，植被生长间距差异情况下会在植被簇区域内形成较多涡旋流[11，12]，改变水力梯度方向，进而对渠内水位变化产生影响。

图6 植被生长间距与渠内水位变化特征

对比水位变化可知，植被生长分布间距愈大，则渠内水位愈低。在流量为6 L/s 工况下，植被生长间距为10 mm 时渠内峰值水位、平均水位分别为23.3、21.2 cm，而植被生长间距为25 mm 时渠内峰值水位、平均水位分别为17.7、15.2 cm，整体上看，植被生长间距为10～40 mm方案中渠内峰值水位分布为15.3～23.3 cm，随间距梯次5 mm 变化，峰值水位平均下降5.3%，平均水位下降7.3%。在流量为12 L/s工况下，渠内水位整体升高，且同一种间距方案下渠内水位变化特征一致，该工况下植被生长间距为10～40 mm 时渠内峰值水位分布为19.6～28.9 cm，受植被生长间距梯次变化影响，其峰值水位在不同植被生长间距方案间平均下降1.55 cm，降幅为8.6%。对比流量为6 L/s 工况，流量为12 L/s 工况下渠内水位受植被生长间距影响更敏感。

4.2 流速变化

渠道模型试验中，不仅可获得渠内水位变化，也可获得渠道各断面流速变化。植被生长间距与渠内流速变化特征，如图7所示。

图7 植被生长间距与渠内流速变化特征

从图7 可以看出，同一入渠流量工况下，不同的植被生长间距方案，其断面流速变化具有不同差异点，但总体上流速变化可分为2类：在植被生长间距为10～25 mm 时，流速变化呈“先增后减至稳定”特征，峰值流速位于断面3 m 处，流速增、减段集中于水生植被分布区；当植被生长间距为30～40 mm时，流速变化呈“全断面稳定”特征，从渠道断面0.5～8 m 流速最大变幅仅为0.8%。流速的2种变化特点在流量为8、10 L/s 工况下均是如此。经分析认为，植被生长特征对渠内流速影响具有“门槛”效应，当植被生长间距低于25 mm 时，其对水体动水势能的扰动影响较显著[13]，会在渠内形成流速的增、减变化段，而植被生长间距较大时，水体的动水作用不受植被分布影响。

对比流速变化值可知，总体上流速与植被生长间距为正相关关系。在流量为8 L/s工况下，植被生长间距为10、20 mm 时峰值流速分别为0.28、0.32 m/s，间距每梯次变化5 mm，峰值流速平均提高0.015 9 m/s，增幅为5.1%。在流量为10 L/s 工况下，峰值流速为0.34～0.46 m/s，在植被生长间距为30、35、40 mm 的3 个方案中，流速稳定于0.43、0.44、0.46 m/s；植被生长间距递增5 mm，流速实质上变幅较小，平均增幅为4.8%。对比之下，流量为10、8 L/s 工况下各植被生长间距方案中，峰值流速具有23.5%～24.8%的差幅，整体上植被生长间距对流速值影响效应显著弱于入渠流量作用。从渠道治理考虑，渠内水生植被控制在低密度、低间距且簇集效应可抵抗水体冲击作用[14]，则渠内输水安全性较高。