（水力学及河流动力学专业论文）植被对水流结构影响试验研究.pdf

摘要 流经床面有植被明渠水流的运动特性正在逐渐引起人们的注意。在河流岸滩种植植 被，能起到固岸护滩的作用，植被作为一种生物控导工程措施，对于水生生态环境的保 护和修复，维持河流湖泊和海滨区的高质量水环境具有非常重要的意义。但水中植被的 存在，改变了河道水流的结构，减小了河道水流的平均流速，导致河道的泄洪能力降低。 因此探讨植被与水流的相互影响，深入理解植被与水流之间的作用机理，在水资源可持 续利用，河流及湖泊的生态修复、管理和河道整治等方面都有重要的科学和实践意义。 植被的存在对明渠水流的影响仍不十分清楚，有必要对有植被明渠的水力特性做进 一步研究。本文在资料查新的基础上，对有植被明渠水流问题国内外的研究现状进行了 较详细的总结。并对有柔性植被的明渠水流进行了试验研究，主要研究内容如下。 对流经有柔性植被的明渠水流结构进行了试验研究。利用三维超声波多普勒流速仪 ( a d v ) 量测不同位置、不同流量下的流场，分析了测点位置和水深与植被高度比对时均 流速、紊动强度及雷诺应力垂线分布的影响。通过水槽试验，研究了植被层以下和植被 层以上垂线流速的分布律。建立了植被层以下垂线流速的三次函数公式和植被层以上垂 线流速的对数公式，同时提出了相关系数的确定方法，并通过试验数据和其它水槽的流 速资料进行了验证，发现所提出的明渠流速分布律可以比较好的描述有植被明渠实际的 流速分布。 将植被当成大阻力单元，用植被高度表示有植被床面的粗糙突起程度，以高度的方 差表示它的非均匀性。在植被密度和直径不变的情况下，进行了一系列的水槽试验研究， 较系统地考虑了植被几何特征的非均匀性对水流阻力的影响，得出植被高度非均匀性对 水流阻力影响的初步规律，丰富了人们对床面上存在植被的明渠流动特性的认识，为进 一步深入研究奠定了基础。 关键词：植被；水流结构；流速分布律；紊动强度；雷诺应力；非均匀性 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h eh y d r o d y n a m i cb e h a v i o ri nv e g e t a t e dc h 枷e l sh 够d f e wr c s e a r c h e r s a t t c n t i o n p 1 柚t i i l gv e g e t a t i o n 彻t h er i v e r b a l l l 【c a i lp r e v e n t i le 卦吣i 咖锄dm a i n t a i l ln a t a sa b i o l o 百c a lm e 觞u r c ，v e g e t a t i o nh 舔v a r i o u sf u n c t i o i l s ，i n c l u d i n gs t a b i l i z i n gr i v c rc h a 皿e l ， a d j u s t i n gn o wa n df i x i i l gb e a c ha n db a i l l 【t bp r e s e r v e a n dr c s t o r cw a t e re c o l o g i c a l 朗v i r o 帆t ，m a i n t a i nw a t e ro fh i g hq u a l i t yi nt h ei i v c r ，s e aa n ds e a s i d e ，t l l eb i o l o 百c a l m e a s u h a sv e f yi m p o n a n tm e 劬g t h ce x i s t c n c co fv e g e t a d o ni nt h ec h 锄e lw 血ld i s t u r b m e n o wa n dc h 柚g c i t f ss t r i i c t i l f e nc a nd e c r e 够e t h e v e l o c i t y o f n o w ，他s u l 咖g t o t h er i s e o ft h ew a t c rl c v e l 彻dt i l ed e p o s i t i o fs c d i m e n t s oe x p l o 血gi n f l u c n c ca i l dp r o f o u n d l y c o m p r e h e n d i n gm e c h 锄i s mo fa c t i o nb e m e e nv e g c t a t j o nw i u ln o w i so fs i 鲫i f j c 柚ts c i e n c e a n dp r a d 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cd i f e c t i o 鸠f o fd 豫咒n td j s c h 盯g ea n dm 踟r c m e n ts i t c 1 1 l e i l l n u e n c co fm e 弱u r e m e n ts i t e 蛐dt h ed e p t l l v e g e t a t i o nh e i g h tr a t i o 佃t h em e a s u r c dv e l o d t y p r o f i l e ，t i l r b u i e n c ei n t c n s i l y 如dr e y n o l d ss t ”s si s 趾a l y z e d 办ep f e s e n tp a p c r v i e w st l l c d i s t r i b u t i o nl a wo fv e n i c a lv c l o c i t yo fw a t e rf l o wj l l s i d e 觚da _ b o v et l l ev e g c t a t i o nb yw a t c r c h a l l l l c le x p e r i m e n t ，d c v e l o p i n gt h cr c l a t i s l t i po fc u b 珏a n dl o g a r i t h m i c f i i n d i o nt o d e s 硎b et h ev e l o c i t yd i s 仃i b u t i o no fw a t e fn o wi 船i d ea n da b o v ev e g e t a t i o n s u g g e s t i gt l l e 鹤c c r t a i nm e t l l o do fc o r r c l a t i v e 姐dm 姐v e r i f y i n gi tb ye x p e r i m e n td a t a 柚do t h e rw a t e r c h 跏c l s n er e s u l ts h o w st h a tt h ev e l o c j t yd i s t 曲u t i o nl a w 画v c nb ya u t h o r si sj na c o o r d a n c c w i t ht h er e a lv e l o c “yd i s t r i b u t i i no p 朋c h 籼c 1 i nt h i s p a p c r ，t l l eb e dr o u g i l i l e 鹞h e i g l l ti se x p r e s s c db y t h ec o e c t i v eh e i g h to f v e g e t a t i o n n e n u l l i f o 衄i l yo fl h ev e g e t a t i o ni se x p r e s s c db yt h cv a r i 柚c co ft h eh e i g h t a st h ed c n s i t y 趾dd i a m c t e ra r ec o 邶t a n t ，e x p c r i m e n t ss t i l d yi sc a r r i e do u tt o 锄a l y z et l l e r c s i s t 锄c cc h a r a c t c r i s t i 岱o f 叩e nc h 锄e ln o ww i t ht h ev e g e t a t i o nc o m p o s e do fd i 脏f e n t n 伽一佃i f b m i t yp r o p e n i e s t h i s i n f l u e n c ci s t l l d i e ds y s t 锄a t i c a l l yb a s c d 衄n u m e e x p e r i m 锄th e f c ，a l l dt t l er c l a t i o i l s l l i p sh a v eb e c ne s t a b l i s h e db e 呐e e nv e g c t a t i o nh e j g l l t n o n u n i f 咖i t ya l l dn o wr c s i s t 锄c c 1 1 l i s 锄a l y s i sh a sm a d et l l eh o w l e d g ea b o u tr e s i s t 柚c e o fn o n - u n i f o 珊i t yo ft h cv e g e t a t i h e i g l l tm o r eu n d e r s t 柚d a b l c k e yw o r d s ：v e g e t a t i o n ； n o ws t m c t l i 聆；v e r t i c a lv e i o c n yd i s t r i b u t i 佃； t u r b u l e n c ei n t e n s i t y ；r e y n o i d ss t n s s ； n o n - u n i f o 瑚i t y 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：李 日期：2 研笙f ，月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：夺孓 日期：2 叼年月1 日 导师签名： 羽帆坛日期矽年6 月) 日 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 在水利、水运、市政等工程设计中，常常需要确定明渠水流断面上的流速分布等， 因此研究明渠水流运动特性具有很重要的意义。传统的思想认为，沿河及滩地上的植被 是不受欢迎的，这是因为植被增加水流阻力，妨碍河道泄洪。实际上，自然环境水道中， 大多生长有植被，其对人类生产和生活有利有弊。因此植被对水流的影响应该特别加以 关注。天然明渠中植被的类型很多，从柔性低矮的叶片草到密集的灌木，再到坚硬的大 树，包括植被的形状、密度以及是否被淹没等。有植被的明渠水流是一种特殊而复杂的 水流问题。植被的存在很大程度上改变了原来水流的内部结构，加大了岸滩的糙率，影 响整个河道的行洪能力。从流体运动的角度上分析，每一棵植物，实际上就是一个极为 复杂的扰动单元，水流阻力的增加来自植物的阻水面积和植被的形态阻力，而植物间的 效应则更加复杂。 野外资料证明“1 ，沟道治理中，植被是根治水土流失的重要生物资源，在河道和海 岸治理中“”，堤外滩地种植防浪树可以保滩护岸、阻止风浪和船行波对滩岸的冲蚀， 起到固滩护岸的作用。植被作为一种生物控导工程措施，具有稳定河槽，调整水势，守 滩固堤的多种功效，这种生态措施对于水生生态环境的保护和修复，维持河流湖泊和海 滨区的高质量水环境具有非常重要的意义。另一方面，对于以泄洪为目的的明渠，其中 生长植被后，增加了水流阻力，增大糙率，减小流速，缩窄河槽过水断面，导致水位攀 升和部分泥沙淤积，从而造成了河道侵蚀基准抬高，河道展宽，这种作用则不利于防洪。 因此探讨植被与水流的相互影响，深入理解植被与水流之间的作用机理及生长有植 被的河流的水力环境，在水资源可持续利用，河流及湖泊的生态修复、管理和河道整治 等方面都有重要的科学和实践意义。 1 2 研究现状 自2 0 世纪2 0 年代后期开始陆续有学者根据实际的需要，对含有植被的明渠水流问题 有针对性的开展了相关的研究工作，从而使人们对这一问题有了逐步深入的了解。但由 于问题的复杂性，国内的研究比较少，国外的研究工作开展得也不深入，对有植被明渠 水流问题的研究至今仍然很不成熟，刚刚起步，有待更深入的研究。 1 2 1 有植被明渠水流结构的试验研究和调查分析 有植被的明渠水流是一种特殊而复杂的水流问题，植被的存在很大程度上改变了渠 道的床面形态，水流内部的结构因为植被的存在而发生了改变。许多学者从水流速度和 水流紊动及能量等方面对这种影响进行了研究、探索。 1 2 1 1 植被对流速分布的影响 p r 孤d t l “1 认为自由明渠流最主要的阻力产生于渠道边界，在此认识基础上，提出了 著名的明渠流的对数流速公式，该式适用于水体中无障碍的明渠而对有植被的水道则不 适用。这是因为明渠中除了边界粘性剪切力外，植被单元还产生形态阻力，植被单元产 生的阻力阻碍水流，并产生局部流速的亏损。 不少学者研究了不同植被类型对应的流速分布。针对刚性植被，s t o n ea n ds h 姐” 根据试验资料，由理论分析建立了刚性植被层表观流速、表观明渠流速v 、表面层 水流流速v s 的计算表达式。非淹没条件下杆层表观流速与水深无关，但在淹没条件 下依赖于水深。 对于柔性植被，流速分布问题就复杂的多。r e c 和p a l m e r 嘲指出，柔性植被被水流 作用倒伏时，植被看上去像用梳子梳理过一样整齐，植被弯曲时，边界的糙率降低了很多。 因此，水流流经有柔性植被的渠道实质上就是一个动边界问题。 t c m p l e ( 1 9 8 6 ) 0 1 根据植被的淹没程度将流速分布分为两层：( 1 ) 水深小于弯曲的 植被高度，植被区域的流速认为是常数，其大小只是取决于植被的特征和能量底坡；( 2 ) 对于水深大于植被高度，流速分布只取决于紊流剪切层的动量交换。在淹没情况下， g o u r i a y ( 1 9 7 0 ) 嘲用底坡范围为0 0 0 5 到0 0 7 重新分析了e 勰t g a t e ( 1 9 6 6 ，1 9 6 9 ) 的试验 数据，指出了对底坡小于0 0 5 时，试验测得的流速分布可分为三层。时钟等( 2 0 0 3 ) 嘲 在室内水槽中模拟了有m y r i o p h y l l 啪和h y “l l a 两种植被存在的河流环境，也认为水流 平均流速垂线分布有3 个显著区域，即：冠层区域、冠层之上区域和两者之间的过渡区。 王忖“”由a d v 测得平均流速垂线分布也同样分为三层：l 、植被区域内部；2 、植被层顶 部区域；3 、在植被层之上。在不同层区分布不同。在植被内部区无论是淹没状态还是 非淹没状态，垂向流速分布均呈“s ”型分布，这和以前的试验研究结果一致的。因 为当水流流经植被区时，植被对水流产生阻力，平均水流切应力在植被层上部高，而下 部却很低，在植被层的底部有一个时均流速梯度( 缸钯) 反转值，导致在接近z k = o 1 5 附近有一个微弱的最大值；在植被层的过渡区，由于植被的柔弹性，植被层顶部与 上层水体相互作用可能产生界面坡，导致一个次级流速最大值；而对植被层之上，由于 远离植被基本不受影响，垂线平均流速分布呈“j ”形，这表明流速分布符合半对数关 系，即) n 啪n p n n d t l 关系式。 f i s d m i c h ( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 叭”1 根据几种植被和不同水流条件的速度点据分析发现无 论植被和流体的类型如何，有植被明渠水流的流速分布与对数剖面的背离是明显的。在 这方面作研究的还有s t e p h a n 卸d w i b m e r ( 2 0 0 1 ) “”，w i l s 柚ds t o e s s c r ( 2 0 0 3 ) “”等。 1 2 1 2 植被对紊动结构及能量的影响 植被的增加不仅对流速分布有影响，而且对紊动结构也会有很大的影响。w i l s o na i l d s t o c 锚e r ( 2 0 0 3 ) 试验资料表明：1 、明渠中植被无叶杆时，植被内部水流的紊动强度、 紊动剪切层渗透比例相对比有叶杆植被的大；2 、无叶杆植被水流紊流速度( u ) 、雷诺 应力的峰值出现在杆顶，而有叶杆植被水流紊流速度( u ) 、雷诺应力的峰值高于叶层顶 2 部；3 、在植被完全淹没的情况下无叶杆植被产生的雷诺应力比有叶杆的大。h m n e p f 【阍 研究了圆柱阵列内的紊动和扩散。指出紊动强度k u 主要取决于植被阻力，平均能 量分配到紊动能量的比例取决于茎的形状阻力与粘滞阻力之比，即取决于茎的形态、柔 韧性和茎雷诺数。黄本胜嘲在研究滩地种树，水流归槽时，发现滩槽流速差增大，使得 滩槽交界面的剪切作用增强，紊动强度显著增大。紊动强度和雷诺应力的纵向分布是在 水流归槽点前略有增加，而在完全归槽后则急剧增加。由此可见对柔性植被，有叶植被 对紊动强度的减弱影响强于无叶植被。因为植被冠层上部的叶子通过减小紊动剪切层来 抑制植被内部和上部表面水流的动量交换，叶子表面产生的拖曳力减缓掺紊。所以，无 叶植被的植被层与表层水流问的剪切相互作用和紊动掺混比有叶杆的强。虽然叶子产生 较大的拖曳力，但剪切产生的紊动还是会减弱，这可能是由于叶子的表面积限制了垂直 动量交换造成的。然而，相对水深比较大时，上表面水流区的紊动分布不受植被形态的 影响，紊动结构不再受叶子施加的拖曳力的影响。c a r d o s oc ta l “”根据试验数据做出了 不同流态下平均相对紊动强度分布( 乜b u 一v 僭) 的曲线，结果发现有植被时，其曲线 接近于一条直线。这也更进一步说明了河床植被对大糙率的速度脉动有干扰和削弱作用 且紊动强度沿水深方向趋于平均。另外，对刚性植被，平均流速增加，随着植被密度的 增加，紊动强度变大；平均流速减小，随着植被密度的增加，紊动强度减小。 而拾兵“7 】贝0 指出明渠中的植被，当其受到水动力作用时，无论是竖向，还是侧向枝 条，均发生明显的挠曲变形。植被变形是水流受脉动作用力的影响，它们在变形后的平 衡位置作不对称的往复振动，振动能来源于水流的部分动能和紊动能。他把一棵树木简 化为杆系结构，并假定c 。沿水深不变，推导了树木能量耗散的表达式。毕慈芬等“”在拾 兵的基础上得到树丛水流的紊动能方程。说明水体中植被的存在不仅改变了水流的紊动 结构，而且耗散了能量。因为植被的出现引发了水流内部结构一系列的变化，而这其中 最本质的问题就是阻力的增加。能量的耗散只不过是阻力问题另一方面的反映。t c m p l c ( 1 9 8 6 ) ”1 研究发现植被通过靠近边界的低流速区的发展使流速图变形，导致动量和能 量系数有比较大的值。基于普朗特的混合长度约等于动量交换，结合实验数据，用曲线 适配法得到明渠草层淹没后水流动量和能量系数的简化形式。这也为计算能量问题提供 了一种方法。明渠中紊动及能量问题本身就很复杂，植被的引入更加增加了研究的难度。 这方面的研究还很不成熟，还须不断探索。 1 2 2 有植被水流问题的数值模拟 ( 1 ) 程莉“”从流体力学中不可压缩流体三维水流的基本方程( n s 方程) 出发，推导 得模拟宽浅水域沿水深积分平均的二维流动方程，对二维水流运动方程，在空间域上采 用有限单元法离散，在时间上采用差分法离散，建立了基于有限元法的平面二维明渠水 流数值模型。并在此基础上，采用等效糙率和边界细部模拟这种处理方法，分析河滩种 树对河道水流的影响。根据珠江三角洲地区河道特征和种树情况，对河道概化并进行数 值计算，计算结果与实验资料基本吻合。分析结果显示，采用边界细部模拟树形的方法 得到的流场与实际水流流场更为一致，能更真实的反映水流的流向。 ( 2 ) 拾兵在他的博土论文中，考虑树干在水中占有的体积比例，将植被坝推广到足 3 够长的植被群体，把砒砂岩的沟道条件进行概化，并基于质量守恒和牛顿力学原理，假 设微元六面体，尝试推导了树丛水流基本方程及其脉动形式，包括连续方程和三个运动 方程，还建立了水流中树木变形、能量耗散及模型比尺的计算关系。并利用尾流亏值分 布，首次建立了沟道植被坝前壅水计算的迭代方法，计算出的坝前壅水曲线与试验值比 较吻合。还采用了与其它学者不同的考虑方法，没有将植被作为整体来考虑，而是将其 分散在水流中，计算单株树木的体积、占河床面积和阻水面积，推导出相应的公式。虽 然这些公式还需进一步的研究和试验验证，但毕竟提供了研究这种有植被水流问题的一 个新思路。 ( 3 ) p 勰c h e & r o u v e ( 1 9 8 5 ) 。1 等人对滩地有植被的明渠水流问题进行了研究，所用 的物理模型为：梯形主槽并带有河漫滩地，滩地种树且不淹没。他们采用断面分割法建 立了一维数学模型来模拟有植被的明渠水流。将明渠断面分割为四部分，然后对每部分 流速沿横断面的分布采用不同的公式进行计算，在得出各部分的流速分布后，将各部分 流速进行衔接，便得到整个断面的流速分布，所得流速和试验值较吻合。所以，他们认 为将水流简化为只有横向与纵向的二维物理过程，且把滩槽交界面视为一堵“墙”是合 适的，并根据滩槽有动量交换部分纵向流速的横向分布的线型，分别用三次幂函数和对 数曲线进行模拟。w 破( 1 9 9 0 ) 将连续方程和动量方程进行简化，得到计算复式断面明 渠单宽流量方程。s t e p h c n ( 1 9 9 9 ) 。“4 矧引入此方程来计算复式断面有植被水流问题，但 该模型没有考虑滩槽水流之间的动量交换和断面形状对水流的影响，因此就不能准确的 反映出复式断面明渠水流的特性，只可做一般的流量计算。 ( 4 ) f c i y 0 n gc m ! n ( 1 9 9 6 ) 用前人建立的大涡模型，即将连续方程、动量方程及紊 动能方程联立，求解具有单侧和双侧桩群的宽浅矩形明渠水流问题。在动量方程中，考 虑了渠底粗糙度及桩群对水流拖曳的影响，通过数值计算，所得的流速横断面的分布与 试验结果比较一致，结果还表明在桩群与主槽交界处有明显的涡街，且在此处雷诺应力 达到最大值。该模型可以形象地模拟出两边或一边有植被的矩形明渠中，植被区水流与 非植被区水流动量交换的非恒定过程，也可以有效地计算出水流紊动能的变化过程，这 些现象与复式断面渠道滩地有植被的情形十分相似。 ( 5 ) n a d a o k a 柚dy a 西“1 应用大涡模拟技术提出了一种二维沿水深积分的浅水方程 模型，该模型可对生长有植被的明渠水流进行计算。其在水深方向提出了次水深尺度 ( s d s ) 的概念，用来模拟三维紊流特征长度尺度小于水深时的情况，并假定次水深尺度 紊流在水平与垂直方向有相同的紊流特征尺度。紊流脉动动能由能量传输方程给出，在 脉动动能方程中包括了由水中植被产生的紊流脉动动能，其紊流脉动动能的计算参数由 k - e 模式确定。该模型在对生长有植被的明渠水流的模拟上取得了较好的结果。 1 3 本文研究内容 植被的存在，在很大程度上改变了原来水流内部的结构，加大了岸滩的糙率，影响 整个渠道的行洪能力。因此，正确理解流经植被的水动力特性对河道管理和有植被渠道 的设计起到很重要的作用。而植被的类型又根据其枝干是坚硬的还是柔韧的区分为刚性 4 植被和柔性植被。本文仅对柔性植被进行试验研究，主要研究内容如下： 1 对流经有柔性植被的明渠水流进行了试验研究。利用三维超声波多普勒流速仪 ( a d v ) 量测不同位置、不同流量下的瞬时流场，分析了测点位置和水深与植被高度比 对时均流速、紊动强度及雷诺应力垂线分布的影响，得到了一些有实际应用价值的结论。 2 分析植被层以上水流的水力特性，发现垂线流速分布呈“j ”型，符合半对数关 系。本文通过试验资料进行验证，结果显示在植被层上面，半对数公式能较好的描述水 流的流速分布。 3 分析植被层以下水流的水力特性，根据所测水流流速分布的特点，作者用三次 函数来表示植被层下面的流速分布，并与其他学者提出的分布函数进行了对比验证，发 现对于植被层下面的水流，三次函数能较好的描述流速分布。 4 将植被当成大尺度阻力单元，以植被高度表示有植被床面的粗糙突起程度，以 高度的方差表示它的非均匀性。在植被密度和直径不变的情况下，进行了一系列的水槽 试验研究，较系统地考虑了植被几何特征的非均匀性对水流阻力的影响，得出植被高度 非均匀性对水流阻力影响的初步规律，丰富了人们对床面上存在植被的明渠流动特性的 认识，为进一步深入研究奠定了基础。 5 第二章流经有植被明渠水流试验研究 有植被明渠水流是一种特殊而复杂的水流问题。植被的存在很大程度上改变了原来 水流的内部结构。从流体力学的角度上去分析，每一棵植被，实际上就是一个极为复杂 的扰动单元，水流阻力的增加来自植被的阻力面积和植被的物形阻力，而植被问的效应 则更加复杂。基于上述情况，作者对流经柔性植被的水流进行了多组室内水槽试验，利 用实测资料进一步分析了柔性植被对水流流速分布、紊动特征的影响。 2 1 试验设备 本试验是在长沙理工大学水力实验中心内变坡水槽中进行。水槽布置如图2 1 所 示。水槽长2 2 m ，宽o 5 m ，高o 4 m 。两边及底面均为玻璃壁面，调坡范围为o o 2 0 。 水槽由电动机驱动水泵通过自动循环系统为水槽供水，槽首设有进水池，水流经过量水 堰跌入静水池，经稳定后进入水槽。槽尾设有平板闸门，调节平板闸门开度可控制水槽 水位。试验的测量段选在水槽中部1 2 槽身长度的范围内。用三角堰量测流量。 卜进水池2 一削浪板3 一柔性连接4 一水槽边界5 一尾门及出泵寻一一一，。 6 墩接支柱7 一升降支柱8 一回水廊道9 - 植被区 圈2 一l 变坡水槽侧面图 2 2 量测仪器 流速测量采用三维超声波多普勒测速仪( a d vs o n t e k ) ，工作原理如图2 2 。流速 从渠底开始测量，以5 姗增量测量至水面。 s o n t e k a d v 是一个单点、高分辨率三维多普勒测速仪，a d v 测量流速使用了多普 勒效应的物理规律，即固定声源和接受探头，接受探头接受到的由运动粒子反射或散射 的声音频率将发生变化，它们的关系如下： 兄一只c ) ( 2 1 ) 式中兄一多普勒频率；，一发射频率；矿一运动粒子相对于接受探头的速度；c 是声 速 本试验研究中a d v 的采样频率为5 0 h z ，采样时间为1 0 秒。为了保证时均流速为 6 唯一固定常数，同时脉动流速在此时间段内为零，时间段t 的选取不能太长，也不能太 短。经过反复试验，对一定点5 0 0 个样本流速足以获得一格稳定得到时均流速值，图 2 3 为比较3 0 0 个、5 0 0 个、6 0 0 个样本流速。此外，探头的方向也会影响所测次级流 图2 2 d v 工作原理 的模式，s h i o n oa n d 蹦g h t ( 1 9 9 1 ) 瞄1 指出探头方向存在1 。的误差，则测量的累计误差将 达到卜4 ，因此为了将探针方向的误差降至最小，必须确保探头正向和水流方向一致。 2 3 试验材料的选择 图2 3 流速样本的选择 天然植被自然特性非常复杂，任何植被不管是柔性的还是刚性的，以前在研究量测 植被特征时就遇到困难。因此，本文用人工柔性植被来反映自然粗糙面的粗糙度。 试验所用模型树用棕榈毛制成，树平均高1 0 c m ，径宽约为0 8 c m 。模型树如图2 4 7 所示。这种材料不是完全坚硬的，它保持一定的韧性，但是它的硬度也足以防止很强的 变形或弯曲，因此用其来模拟水中的植被还是比较合适的。 图2 - 4 模型材料 为了能更好的研究垂向流速沿植被带的变化，植被带要足够的长。本试验植被带长 1 8 m ，为于水槽的中段。为了固定植物，在水槽的底部全部铺上1 5 c m 厚的呢绒板，上 面钻直径1 2 舢的小孔，然后用橡胶泥将模型植物固定。模型树的布置方式采用交错布 置模式，图2 5 给出了树木交错布置方式中的株距、行距及测点的位置。在测速剖面上 选择三根测速垂线，测速垂线距左边壁依次为y = 1 2 5 c m 、2 5 c m 、3 7 5 c m 。 左侧 、， l l 图2 5 模型树木布置 2 4 试验组次和试验方法 i 试验中流量和水深逐渐增加，在植被完全淹没状态情况下进行试验。试验组次如表 2 1 ，所有的水流都是缓流，佛汝德数，在o 卜0 3 之间变化，以前的试验研究已经证 明，对于缓流和急流，糙率系数有相反的变化趋势。目前的研究仅限于缓流，因此佛汝 德数只对植被糙率的影响也就超出了本文的研究范围。 8 对于多数明渠水流，均匀流的形成是一种重力沿流动方向的分量与阻力的平衡过 程。它们在糙率突变的地方会特别明显，然而经过过度形成的一种新的平衡会在植被区 形成均匀流。本试验研究采用的植被带长1 8 m ，占整个水槽的9 0 ，足以能够形成均匀 流。在试验中，当水流稳定，形成均匀流时测量流速和水位。 试验前先对每个组别进行均匀流的预备试验，以确定给定流量下产生均匀流的试验 水深和控制水位。对选定的组次，试验时先进行种树前的均匀流水位和流速等的测量， 用测针来读水位。而后种树试验，同样对水位和流速等进行测量和流态分析。 表2 一l 试验组次一览表 试验组次流量q水深h断面平均 r r e f r sm 流速m s m 无植被 10 0 2 1 9 5 40 1 6 6 4o 2 6 3 8 6 4o 0 9 9 9 0 42 8 6 8 40 2 0 6 6 2 9 20 0 2 4 9 0 30 1 8 4 8o 2 6 9 5 0 80 1 0 6 2 5 63 1 1 6 l0 2 0 0 2 6 6 30 0 2 7 8 4 30 1 9 5 8o 2 8 4 4 0 70 1 0 9 8 0 33 3 9 8 lo 2 0 5 3 1 5 40 0 3 0 7 3 60 2 0 8 4o 2 9 4 9 7 10 1 1 3 6 5 63 6 4 8 00 2 0 6 4 0 4 50 0 3 4 8 8 60 2 1 9 4 o 3 1 8 0 0 90 1 1 6 8 5 14 0 4 3 50 2 1 6 8 7 4 有植被6o 0 2 1 9 5 4o 1 7 8 60 2 4 5 8 4 0o 1 0 4 1 7 62 7 8 6 80 1 8 5 8 2 3 7o 0 2 4 9 0 3o 1 8 7 1o 2 6 6 1 9 5 o 1 0 7 0 1 23 0 9 9 70 1 9 6 5 8 5 80 0 2 7 8 4 3 o 2 0 8 50 2 6 7 0 8 40 1 1 3 6 8 63 3 0 4 0o 1 8 6 8 4 5 9o 0 3 0 7 3 60 2 1 2 10 2 8 9 8 2 60 1 1 4 7 4 83 6 1 8 80 2 0 1 0 2 7 1 00 0 3 4 8 8 6 0 2 2 1 90 3 1 4 4 2 60 1 1 7 5 5 74 0 2 2 l0 2 1 3 2 1 9 2 5 试验结果分析 2 5 1 水流流经有柔- 性植被明渠的试验现象 植被在很大程度上是有韧性的，水流流经柔性植被，植被的弯曲流线化和波动是非 常明显的。早在1 9 3 9 年c c 0 k 和c o m p b e l l 就指出在低流速下，草有“摆动”现象。摆 动的发生是描述水流流经柔性植被的另一特征。r e e p a l m 耐1 9 4 9 ) ”3 进一步指出，植被 被水放平时，植被看上去就像用梳子梳理过一样整齐。 当风吹到草上时，波动向下游传播。h o u e ( 1 9 6 3 ) 啪3 首次在稻田里研究这样的运动。 s t o l l c r 和h m o n 。”研究发现，柔性植被遇到风时，两种特性非常明显，风速增加时，叶 子在正对着风的方向竖起来，田里形成一系列连续的波，即“平滑效应”。对于高的小 麦，l e m o n 指出流线型效果更明显，对这两种植被研究发现，当风速增大到一临界值时， 摩阻流速将保持一个常数。很显然，柔性植被流线化导致糙率的减小来补偿风速或流速 的增加。从长在河底的植被上也能看到波动，m u r o t a 和f u k u h a 嘶1 9 8 钔嘲试验研究明渠 水流流经高为6 8 c m ，直径为o 0 2 4 c m 的模拟植被，他们也发现了波动。本次试验也观 察到了柔性植被的摆动和弯曲( 如图2 6 所示) 。 9 图2 6 柔性植被的弯曲与摆动 拾兵在探讨树丛水流基本方程时指出：树丛水流不同于常说的固液两相流。一方面 水流是从树木枝径间穿过，受到树木对其的阻滞；另一方面，树木在水动力作用下，发 生相应变形，并在平衡位置产生相应的往复振动，其振动能来自于水流的一部分紊动能。 因此，水流流经柔性植被的渠道实质上就是一个动边界问题。植被弯曲时，边界的糙率 降低了很多。 p a l m e 玎1 9 4 5 ) 。1 根据水深和植被高度的相对关系划分为三种水流条件：( 1 ) 低水流， 即水流经过时，枝干和叶子没有弯曲处于非淹没状态。( 2 ) 中等水流，即植被完全淹没， 水流阻力随流量急剧变化，植被开始弯曲摆动。( 3 ) 高水流，即使植被倾斜或近乎倾斜， 枝干和叶子可能会移动，但这种影响可忽略。低水流情况一般多见于漫滩水流研究，高 水流由于它的不稳定性，几乎很少见。因此，流经有植被河道的水流大都落在p a l m e r 定义的中等水流。 2 5 2 时均流速的垂向分布 早期的研究( r e 1 9 5 8 ) 啪1 ，f c d & d a v i s ( 1 9 6 4 ) 。“，k o w o b a r y “a l ( 1 9 7 2 ) o ”， k a o & b a r f i e l d ( 1 9 7 8 ) 捌，k o u w e n c t a l ( 1 9 8 1 ) m 1 ，t b m p l e ( 1 9 9 1 ) 蚓，c h i e w & t 缸( 1 9 9 2 ) 嘲， b a l c r ye t a l ( 1 9 9 2 ) 咖，g i u e y & k o t 帆i t z ( 1 9 9 4 ) 侧) 基本上集中手估算平均流速、水流阻力 规律和糙率系数。由于流经植被水流的复杂性很难完全靠理论来建立水流模型。基于这 个原因，过去大多数工作都是经验的和半经验的，而且大都是从均匀流导出的，但是， 阻力系数却很难估计。有植被河道水流研究的基本问题是根据测得的流速分布从理论上 导出水流阻力的规律。 e 鹤t g a t e ( 1 9 6 6 ，1 9 6 9 ) 呻删在长满k i l 【l l ”草的渠道中测得的流速分布表明，流速沿垂 线呈对数分布。g o u n a y ( 1 9 7 0 ) 4 1 用底坡范围为0 0 0 5 到0 0 7 重新分析了e a s t g a t 1 9 6 6 ， 1 9 6 9 ) 的试验数据，指出了在底坡小于o 0 5 时，试验测得的流速分布可分为三层：( 1 ) 在靠近渠底的植被区，流速很低，基本保持常数，可认为与剪切流速成比例；( 2 ) 在 1 0 植被区域的过度层，流速增加很快；( 3 ) 在植被区域上面的水体层，流速增加就没那么 明显了。若底坡大于o 0 5 时，第二层和第三层就基本重合了，流速分布就只有两层了。 t c m p l e ( 1 9 8 6 ) “”提出一个两层的流速分布：( 1 ) 水深小于弯曲的植被高度，植被区 域的流速认为是常数，其大小只是取决于植被的特征和能量底坡；( 2 ) 对于水深大于植 被高度，流速分布只取决于紊流剪切层的动量交换。t e m p l e ( 1 9 8 6 ) 用普朗特混合长理论 得到一般的流速分布并假定混合长度和水深及植被的有效高度成比例。 最近，i k e d a 和k 柚北a w “1 9 9 6 ) m 1 用l d v 量测明渠水流流经柔性植被的垂向流速分 布。他们观察到平均流速分布在植被层项部存在偏转，还发现紊动强度和雷诺应力在此 位置也达到最大值，并向渠底和水面递减。 在流经柔性植被的河道水流中，研究植被内部的垂向流速分布，可以了解植被对于 垂直方向动量交换影响的情况。在这方面的资料国内外很少报道。本文用三维a d v 在 矩形渠道中量测流经柔性植被的流速分布，了解不同水深和测点位置对流速剖面的影 响。还根据所测流速分布特点，将流速分布分区，用几个不同的公式得到速度分布的整 个形状。 为了便于比较，先进行了无植被情况下水流平均流速沿垂线分布的观测，结果如图 2 7 所示，流速沿垂线分布呈“j ”形，这表明流速分布符合半对数分布关系，即v o n l 函皿n p r 柚d t l 关系式。 如前所述，植被的存在对水流结构的改变如何? 具体的表现就是时均流速沿垂向分 布发生的变化，如图2 8 所示。为了方便起见，平均流速分布用无量纲形式表达，即用 植被层高度七和摩阻流速玑伪) ，摩阻流速玑) 采用下式表达即 “。- 万 ( 2 2 ) 式中：g 为重力加速度，r 为水力半径，为水力坡度，本文近似用底坡f 来替代。 图2 7 无植被情况下流速沿垂线分布图2 8 有植被情况下流速沿垂线分布 本次试验流速测量采用三维超声波多普勒测速仪( a d v ) 。试验采用不同流量与不 同水深的组合进行，水流保持在紊流均匀恒定状态。试验测量的范围，宽深比 b 日2 2 5 3 3 0 0 5 ，雷诺数r c = 2 7 8 6 8 4 0 4 3 5 ，佛汝德数f r = 0 1 8 6 一o 2 1 7 ，实测流速 “= o 2 4 6 i l l s 一0 3 1 8 m s 。流速分布如图2 9 所示，试验结果揭示了植被层上下水流结构 的复杂性。流速分布大体分为三个区域。 1 1 ( 1 ) 植被区域内部的流速垂向分布，无论是淹没状态还是非淹没状态，均呈“s ” 型分布，这和以前的试验研究结果一致( k o u w e n e t a l ( 1 9 7 3 ) “”，t c m p ( 1 9 8 6 ) 3 ，g o u r l a y ( 1 9 7 0 ) ”1 ，酝d a k 孤a z a w 1 9 9 6 ) ，k u t i j a & h o n g ( 1 9 9 6 ) “”) 。这种分布规律纯系植被本 身的结构所构成。这是由于在植被中部以上，植被逐渐蓬松，形成树冠，增大了阻水面 积，吸收了水流的运动能量。因此，流速随高度的变化在植被层内的上半部，削减迅速， 而在下半部则较缓慢，甚至近似为常数。在这一情况下，在靠近植被基部附近，即接近 床面的平均流速存在一个微弱的极大值，这是由