剛-柔、柔-剛性兩種格局下植被水流特性試驗(yàn)研究

李露，石喜，李江濤

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

近年來，隨著生態(tài)文明理念的不斷深入，水環(huán)境和水生態(tài)問題引起了廣泛的關(guān)注。生長在天然江河湖泊中的水生植物，能為生物提供食物和棲息地，可以抑制泥沙再懸浮并有效改善水質(zhì)；而植物根系可固結(jié)土壤，防止河床被過度沖刷，從而減少水土流失。但水生植物的存在改變了水流流動結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致流速減小、水位抬高，從而引發(fā)泥沙淤積，嚴(yán)重時可影響行洪安全。因此研究植被水流的水動力特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

基于此，國內(nèi)外學(xué)者針對水生植被和水流的相互作用機(jī)理開展了深入研究［2］。Ricardo 等［3］研究了含植物明渠水流特征變量。Thokchom 等［4］通過水槽試驗(yàn)利用聲學(xué)多普勒流速儀ADV 研究了半覆蓋植被的明渠水流特性?；蔽男诺龋?］采用羽毛模擬柔性植被，研究了植被密度、淹沒度及流量對明渠水流流速場的影響。吳福生和姜樹海［6］針對柔性和剛性植被，采用ADV 對淹沒植被的紊流特性進(jìn)行了研究。張英豪和賴錫軍［7］以苦草為對象，研究了植被水流雷諾應(yīng)力、紊動能和時均流速的垂向分布特征。張凱［8］利用水槽試驗(yàn)研究了剛、柔性模擬植被與河道水流特性的關(guān)系。景何仿等［9］利用玻璃棒代替挺水植物，研究了不同工況下含水生植物的水位變化和流速分布。樊新建等［10］采用塑料草模擬柔性淹沒植被，利用ADV對不同排列方式、不同淹沒度下植被的水流特性進(jìn)行了試驗(yàn)。Okamoto 和Nezu［11］使用PIV 技術(shù)對淹沒植被斑塊的紊流特性進(jìn)行了測量。吳國英等［12］研究了柔性和剛性植被類型和淹沒度對流速垂線分布的影響。Shin 等［13］采用ADV 研究了淹沒度和植被密度對縱向流速和湍流剪切應(yīng)力的影響。

可以看出，大多研究以單獨(dú)的剛性或柔性的植被研究為主，而天然河道植物種類多樣，形狀和組成格局復(fù)雜，含植物水流特性各有不同。為此，本文以木棒和塑料模型草分別模擬剛性和柔性植被，在多功能明渠變坡水槽中，開展剛-柔、柔-剛兩種植被格局下的水流特性試驗(yàn)，探討流速分布、沿程水面變化及紊流強(qiáng)度，為植被水流的理論和河流生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在蘭州交通大學(xué)多功能明渠變坡水槽中完成，水槽總長6、寬0.4、高0.3 m，底坡為0.3%。如圖1 所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由水泵、進(jìn)水池、槽身段及回水水槽組成，水槽進(jìn)水口安裝消能管群（直徑相同的PVC 硬細(xì)空心管構(gòu)成）使來流平穩(wěn)均勻，槽尾設(shè)有調(diào)節(jié)閘門，通過調(diào)節(jié)閘門開度可控制水位和流速。植被區(qū)距離水槽首端和尾端均為225 cm，為1.5（長）×0.4（寬）×0.1 m（高）的凹槽。試驗(yàn)時，通過電磁流量計測量水流流量，水深采用精度為0.1 mm 的測針測量，采用微型多普勒流速儀測量定點(diǎn)的時均流速，測流準(zhǔn)確度為0.01 cm/s，分辨率為0.001 m/s，采樣頻率為25 Hz，時間60 s，詳細(xì)情況可見相關(guān)文獻(xiàn)［14］。待水流穩(wěn)定后，每個測點(diǎn)測量3次，用統(tǒng)計平均值法計算時均流速。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system layout

選用剛性和柔性兩種不同的水生植被進(jìn)行試驗(yàn)，其中剛性植被采用直徑為6 mm 的圓木棒模擬，淹沒工況下植被高度13.8 cm；天然柔性植被選用塑料仿真草模擬，淹沒狀態(tài)下的平均高度為13.5 cm，外直徑約為5 mm，具有一定的柔性，圖2為模型植被。

圖2 柔性-剛性植被Fig.2 Flexible-rigid vegetation

水生植物采用剛-柔布置和柔-剛布置兩種格局，排列方式為梅花交錯形式。兩種格局下設(shè)置稠密和稀疏兩種種植密度，第一排植被均距離植被區(qū)入口62.5 mm 的位置。稠密排列時，采用單排5 株、雙排4 株的交錯布置，縱向和橫向株距分別為6.25、7.5 cm，共布置23排，植物密度為173 株/m2，如圖3（a）和（b）所示；稀疏排列時，采用單排4 株、雙排3 株的交錯布置，共布置15排，縱向和橫向株距均為10 cm，植物密度為88 株/m2，如圖3（c）和（d）所示。

假定沿水流方向（縱向）為x方向，與壁面垂直方向（橫向）為y方向，與槽底垂直的方向（垂向）為z方向。沿縱向x方向布設(shè)7 個觀測斷面（縱斷面），沿程距離的起始坐標(biāo)定于距離水槽最前端175 cm處，終于425 cm，其中，斷面1 位于植被區(qū)入口上游25 cm處；植被區(qū)設(shè)5個測量斷面，即斷面2～6，斷面2距離植被區(qū)入口2.5 cm，斷面3、5 穿過植被空隙；植被布置沿斷面4 對稱，即斷面4 左邊為一種植被，右邊為另一種植被，因此斷面4也是體現(xiàn)植被格局的位置；斷面6位于植被區(qū)出口邊緣線上；斷面7 位于距植被區(qū)下游30 cm 處。由于植被沿水槽寬度對稱布置，沿橫向y方向布設(shè)3 個測點(diǎn)，3 個測點(diǎn)各距離右邊壁側(cè)2.5、12.5、20 cm 的位置（分別用y1、y2 和y3 表示），分別代表植被河道邊壁、邊壁與中心線之間，植被河道中心線。沿垂向z方向從水槽底部3 cm 為起點(diǎn)，每隔2.5 cm 為增量設(shè)置一個測點(diǎn)，總共有6個測點(diǎn)。測點(diǎn)的具體布置如圖3所示。

圖3 兩種格局下植被排列方式及測點(diǎn)示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of vegetation arrangement and measurement points in the two patterns

試驗(yàn)采用4 種工況，如表1 所示，整個試驗(yàn)的水溫為25 ℃，水流運(yùn)動黏性系數(shù)為0.897×10-6m2/s，試驗(yàn)中雷諾數(shù)Re的變化范圍均在6 880～21 118 之間，大于明渠臨界雷諾數(shù)500，故水流為紊流，弗勞德數(shù)Fr在0.1～0.47 之間變化，均小于1，故水流為緩流。

表1 試驗(yàn)工況及水力參數(shù)Tab.1 Test conditions and hydraulic parameters

2 結(jié)果及分析

2.1 實(shí)測流速分析

2.1.1 縱向流速沿程分布

圖4 為剛-柔布置格局下不同測量斷面橫向測點(diǎn)y1、y2 和y3的時均流速沿縱向變化，選取每個測點(diǎn)垂向第6個點(diǎn)（位于植物頂端以上靠近自由水面區(qū)，距離渠底15.5 cm）進(jìn)行分析。可以看出，兩種密度下縱向流速變化趨勢基本相似，在剛性植被區(qū)域，流速波動較為平緩，原因可能是處于淹沒狀態(tài)下的剛性植被，水流經(jīng)過時每個植被處的擾流作用相當(dāng)，植被上層水流的流速變化相似，因而流速波動平緩；在柔性植被區(qū)域，植被在水流作用下產(chǎn)生橫向和縱向的彎曲和擺動，影響植被上層區(qū)域使流速梯度增大，流速最大值基本出現(xiàn)在柔性區(qū)域末端。流出植被區(qū)域后，擺脫了植被的影響，流速有所減小。

圖4 剛-柔布置格局下不同斷面沿程流速分布圖Fig.4 Distribution of velocity along different sections under rigid-flexible layout

比較不同橫向測點(diǎn)的流速大小可以看出，在剛性區(qū)域，y2和y3 測點(diǎn)處的流速比y1 處的要大，這是由于靠近壁面，影響流速變化的因素除了植被外，還有壁面對水流的剪切作用，使流速減?。欢趛2 和y3處，影響流速的主要因素為植被，測點(diǎn)基本靠近水面，剛性植被莖稈大小一樣，對植被頂端水流的擾動在不同位置處基本相當(dāng)，因而y2 和y3 處的流速變化無明顯規(guī)律。在柔性植被區(qū)域，兩種密度下y3 處的流速基本處于最大，而y1 和y2 處的流速變化不明顯，這可能是由于柔性植被的來回擺動，從而影響到不同測點(diǎn)處流速梯度的變化。

圖5所示為柔-剛布置格局下不同測量斷面橫向測點(diǎn)y1、y2和y3時均流速的縱向變化，測點(diǎn)仍然為植物頂端以上靠近水面的垂向第6測點(diǎn)。可以看出，兩種密度下的縱向流速變化相似，在柔性區(qū)域，流速基本呈增大的趨勢，這是由于受柔性植被擺動的影響，流速最大值仍然出現(xiàn)在柔性區(qū)域的末端（斷面4）。之后，在剛性區(qū)域，流速有所下降，波動有所平緩。

圖5 柔-剛布置格局下不同斷面沿程流速分布圖Fig.5 Distribution of velocity along different sections under flexible-rigid layout

2.1.2 縱向流速的垂線分布特征

圖6 給出了剛-柔布置下測量斷面1、3、4、7 的縱向流速沿垂線分布，每個斷面上均取中心線y3 測點(diǎn)沿垂向結(jié)果，測點(diǎn)距離渠底分別為3、5.5、8、10.5、13 和15.5 cm?？梢钥闯觯煌瑪嗝娴拇咕€流速分布變化各不相同。斷面1 位于植被區(qū)外，基本呈“J”型分布，與無植被水流的分布一致，說明植物對水流的影響尚未波及到。斷面3 位于剛性植被區(qū)，在植被的影響下使流速分布與無植被時的不同，在植物帶以內(nèi)受植物的阻擋，水流沿植被發(fā)生擾流，水流的受力狀態(tài)復(fù)雜，流速波動較?。欢谥参飵ы敹私咏嫣幍牧魉僮畲?，比無植被影響時的還大，原因可能是，在植被的影響下，植物帶頂端水流的速度梯度較大，使流速保持較大值，比較兩種密度的流速分布發(fā)現(xiàn)，稠密布置下的流速波動比稀疏布置的波動要大，說明植被的影響作用明顯。斷面4 位于剛性與柔性植被的交界處，可見，斷面4 的流速分布受兩種植被的影響，基本呈“S”型，此時流速分布既受剛性植被的阻擋影響，又受柔性植被彎曲與擺動的影響，使流速變化較為復(fù)雜，在植物帶頂端處的流速仍然最大。斷面7 位于植物區(qū)下游30 cm處，流速分布基本呈“C”型，與無植被時的不同，說明斷面7 處的水流仍受植被的影響，表明植被水流對下游的影響范圍大于對上游的影響。

圖6 剛-柔布置格局下不同斷面的垂線流速分布Fig.6 Vertical velocity distribution of different sections under rigid-flexible layout

圖7 給出了柔-剛布置格局下測量斷面1、3、4、7 的縱向流速沿垂線分布，每個斷面上仍取中心線y3 測點(diǎn)沿垂向的結(jié)果?？梢钥闯觯瑪嗝? 的流速分布仍然不受植被區(qū)的影響，呈“J”型分布；斷面3 位于柔性區(qū)域，與圖6（b）中相同斷面的剛性植被相比，柔性區(qū)域的流速波動較大，原因可能是，淹沒柔性植被在水流作用下容易發(fā)生彎曲、擺動，使植被水流擾動較大；而剛性植被在水流中基本固定不動，植被水流發(fā)生擾流時對水流的擾動較小。比較圖6（b）還可以發(fā)現(xiàn)，柔性植被的頂端流速也大于剛性植被的，這是由于同一處在淹沒下的兩種植被，柔性植被的彎曲、擺動使植物帶上層水流的流速梯度增大。斷面4 位于柔性植被和剛性植被交界處，受兩種植被的相互影響，流速分布基本呈“C”型，在植物帶頂端仍保持較大的流速。從斷面7的變化來看，流速分布仍然未擺脫植物區(qū)的影響。

圖7 柔-剛布置格局下不同斷面的垂線流速分布Fig.7 Vertical velocity distribution of different sections under flexible-rigid layout

2.2 沿程水位變化特征

圖8 所示為剛-柔和柔-剛兩種格局下的沿程水位變化，選取7個相同的測量斷面，其中斷面1、2、3、6和7與流速測量斷面相同，而斷面4 和斷面5 的坐標(biāo)在兩種格局下均取300 cm 和337.5 cm 位置處。由圖可以看出，兩種格局下沿程水位的變化趨勢一致，而稠密布置時的沿程水位高于稀疏布置的，說明稠密布置時阻水較大，水位壅高。斷面1位于植被上游，受植被的影響較小，水位較低；斷面2 剛進(jìn)入植被區(qū)，由于處在第一排植被的前端，水位受后面植被的影響有所增加，但增加幅度不大；斷面3位于植被內(nèi)部，在植被的阻水影響下水位達(dá)到最大值，說明此處阻水最為嚴(yán)重；之后由于植被布置和排列方式不變，在每個位置處植被阻水的狀況相似，而在坡降的影響下水位逐漸下降；斷面7 位于植被區(qū)外，水位受植被的影響減小，基本恢復(fù)至無植被時的水位。

圖8 剛-柔、柔-剛性兩種格局沿程水位線Fig.8 Rigid-flexible and flexible-Rigid patterns along the water level

2.3 相對紊動強(qiáng)度的垂向分布

紊流紊動的強(qiáng)弱程度可采用相對紊動強(qiáng)度來表述，以脈動流速的均方根與相應(yīng)時均流速的比值來反映，計算式為：

式中：I為相對紊動強(qiáng)度；u'為脈動流速；uˉ為斷面平均流速。

圖9給出了剛-柔和柔-剛兩種格局下相對紊流強(qiáng)度的垂線分布，選取斷面3 中心線位置的y3 測點(diǎn)進(jìn)行分析，即剛-柔布置時測點(diǎn)為剛性植被，柔-剛布置時測點(diǎn)為柔性植被?？梢钥闯?，兩種格局下相對紊動強(qiáng)度的變化趨勢相似，在底部保持較低的紊動強(qiáng)度，說明底部位置對水流的擾動較小。從底部至水面相對紊動強(qiáng)度呈先增大后減小再增大的趨勢，在水面位置處最大。這是由于淹沒植被的高度離水面較近，在植被區(qū)，由于阻水影響對水流的擾動強(qiáng)烈，因此相對紊動強(qiáng)度變化幅度較大；而水面位于植物頂層區(qū)域，該區(qū)域受植物頂層流速梯度變化的影響、水面與空氣交界的影響，存在著較強(qiáng)的能量和動量交換，因此相對紊流強(qiáng)度最大。比較圖9（a）、（b）還可以發(fā)現(xiàn)，相同位置處，柔性植被的相對紊動強(qiáng)度比剛性植被的要大，這是由于柔性植被在水流作用下擺動，對附近水流的擾動強(qiáng)烈，因此相對紊動強(qiáng)度較大。

圖9 縱向相對紊流強(qiáng)度沿垂線的分布Fig.9 The distribution of longitudinal relative turbulence intensity along the vertical

3 結(jié)論

通過水槽試驗(yàn)探討了剛-柔和柔-剛兩種植被布置格局下的水流特性，得出以下結(jié)論。

（1）比較兩種格局下的接近水面的流速沿程分布可以發(fā)現(xiàn)，剛性植被區(qū)流速波動平緩，而柔性區(qū)流速變化較大，最大值基本出現(xiàn)在柔性區(qū)末端。

（2）垂向流速分布表明，在植被區(qū)上游斷面垂向流速不受影響；而在植被區(qū)受植被影響，流速分布呈“S”型或“C”型，柔性植被的流速波動比剛性植被的要大；在下游處植被區(qū)仍受水流的影響。

（3）兩種格局下沿程水位的變化趨勢一致，在植被阻水影響下兩種植被內(nèi)部水位壅高，之后在坡降作用下有所降低，在出植被區(qū)后基本恢復(fù)。

（4）兩種格局下相對紊動強(qiáng)度的垂向分布趨勢相似，從底部到水面紊動強(qiáng)度呈先增大后減小再增大的趨勢，在植物帶內(nèi)變化幅度較大；在植物頂層區(qū)域相對紊動強(qiáng)度最大。