植物特性对复式河槽流速分布影响的实验研究.docx

1、第29卷第3期2010年6月重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNALOFCHONCQINGJIAOTONGUNIVERSITYNATURALSCIENCE)植物特性对复式河槽流速分布影响的实验研究罗宪I,房春艳九单与玉淇，刘超4（1.重庆交通大学信息科学工程学院，重庆400074；2.敢庆交通大学河海学院，重庆400074）（3.四川大学数学学院，四川成都600065；4四川大学水利水电学院，四川成都600065）摘要:通过水槽试验，探讨了不同滩地植被密度、植被高度对复式河槽流速分布的影响。试验时，借助声学多普勒测速仪（ADV）观测不同垂线、不同测点的瞬时流速.选竹签模拟乔木。试验结果表明

2、，在滩地无植被情况下，流速分布满足对数分布;滩地种树后，主槽流速明显增大，滩地流速减小,流速呈S型分布，不同植物密度,S型的分布是不同的。这种S型分布将水流划分为3个区的复杂行为,S型分布的形状与水深、垂线位置和植物特性（植被高度,植被密度）有关。植被密度对流速分布的影响非常明显。关键词：夏式河道;流速分布;植被琉密度;植被高度中国分类号:TV133文献标志码：A文章编号：1674-0696（2010）03-0466-04InfluenceofVegetationCharacteristicsonVelocityDistributionofCompoundChannelLUOXian,FANG

3、Chun-yan2,SHANYu-qi3,LIUChao4(1.SchoolofInformation&SciencesEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China；SchoolofKiver&OceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China；2. SchoolofMathematics,SichuanUniversity,Chengdu600065,Sichuan,China；3. SchoolofHydraulics&WaterP

4、owerEngineering,SichuanUniversity,Chengdu600065,Sichuan,China)Abstract:Theinfluenceofvegetationdensityandvegetationheightatdifferentbeachesonthevelocitydistributionincompoundchannelsisdiscussedthroughtheflumeexperiment.ADVisusedtomeasuretheinstantaneousvelocityatdifferentverticallineanddifferentmeas

5、uringpoints；andbamboosticksarcchoseninsteadofarborestoparticipateinthesimulation.Theexperimentresultsindicatethatthevelocitydistributionfollowsalogarithmicdistributionfornon-vegetatedfloodplain,andobeyS-shapeddistributionforvegetatedfloodplain.TheS-shapeddistributiondividestheflowintothreeregions.Th

6、erangeofeveryregionisrelatedtotheflowdepth,laterallocationandvegetationcharacteristics,suchasvegetationdensityandheight.Fordifferentdensityofvegetation,theS-shapeddistributionisdifferent.Meanwhile,itisfoundthatthevelocityinthemainchannelincreasesandthatinthefloodplaindecreasesafterthefloodplainisveg

7、etated.Furthermore,theinfluencesofvegetationdensityonlocalvelocitydistributionaredistinctiveforthesametypesofvegetation.Keywords:compoundchannel；velocitydistribution；vegetationdensity；vegetationheight收稿日期：20100129；修订日期：2010-02-26基金项目：国家自然科学基金资助项目（50679048）；四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室开放基金项目（2007-06）作者简介：

8、罗宪（】960），男，重庆长寿人，副教授,主要研究方向：计算机应用、水文学及水资源。E-mail：fcyasl983。复式河槽水流特性在防洪工程、水资源综合利用、河道整治工程等方面具有实际应用价值。实际上天然河道中，大多数都是具有深槽和滩地的复式河道，由于在岸滩长期不过流，经常会长有植被，如乔木、灌木、杂草等。当水流漫滩后，因滩槽流速不同，不同流速的流层之间要产生动量交换。交换的结果，主槽水流因受流速较慢的滩地水流的制约而损失部分动最，流速要降低，滩地水流因得到从主槽中传递来的动量而流速要增加，沿横断面方向的流速产生重新分布c这使得复式河槽水流结构更为复杂,加大水流阻力.减少过流能力。因此，有

9、必要了解植物对水流特性的影响作用。国外许多学者已对复式河槽水流特性在此做了大量的试验研究和理论分析。Knight&Demetriou等试验研究了复式河槽的水力学特性。Knight&Shiono等发现滩槽交界面存在强烈地动量交换。Thornton等通过试验最化了主槽与植被滩地交界面上的表面剪切应力大小，认为表面剪切应力是滩槽脉动流速的函数。Caming等通过分析英国RiverSevern的实测资料，分析了天然复式河槽流速分布。Darby&Thome等刃分析了滩地植物对水流阻力及过流能力的影响。对于植被本身的特性(高度，密度，柔韧度)对水流流速分布的影响是如何呢，这方面研究很少，为此，笔者通过水槽

10、试验分析了非淹没状态下，刚性植物的疏密度和高度对复式河槽流速分布的影响研究。1试验概况本试验是在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室的变坡水槽中进行的。试验水槽长50m、宽1.0m.0.6mo槽首设有进水阀门，可对来水流量进行控制，尾部为调节水位的控制闸门。试验所采用的将复式河道断面概化为轴对称的梯形断面,模型断面取其50%,其床面用水泥抹平，河道底坡为1.25所。具体布置见图10图1有植被复式断面形状示意图Fig.1Theillustrationofcompoundchannelswithvegetation试验中，采用ADV(多普勒声学测速仪)测量流速，用探针测最水深变化。植树带

11、首距槽首17.4m。量测之前，每个断面布置了10条垂线，每条垂线V方向坐标依次为15,25,30,35,40,50,60,70,80和90cm(图2)图2复式河槽断面形态Fig.2Crosssectionofcompoundchannels试验中，为突出植被的影响，试验以植株参数的变化对水流特性的影响为主要研究对象，以刚性竹签模拟滩地植被,忽略植被枝叶对水流的影响，其直径为0.6cm,全长35cm；模型植物是以固定间度距平行“种植”，且没有固结在河槽上，方便地插上或拔下，随时调整模型植物的种植疏密度和高度(图3)；其中植物疏密度通常情况下用单位面积植物所占床面的面积。本文为方便研究，采用植物棵

12、数来表示植被疏密度。模型植物带长度试为5.2m,试验方案见表1。图3复式河槽滩地植被裁种孔Fig.3Vegetationplantingholesofcompoundchannels表1滩地植被及对应水流条件Tab.1Floodplainvegetationandcorrespondingflowconditions方案河道底坡/取流fit/主槽水深/cm滩地水深/cm模植物植被密度/(株m-2)植被高度/cmNRuMH1.25732010-VIRun021.25732010竹签2518V3Run031.25732010竹签5018V4Run041.2573201()竹签20018Kun051

13、.25732010竹签2512峭Run061.25732010竹签5012VIRun071.25732010竹签200】22试验分析对于充分发展的二维均匀紊流,垂线流速分布可以采用如下方程表示：(1)式中：u*(3)u+w.兀；*=V则JL=in性+Cu,kv沿水深方向积分可得，义=ln父史+C(4)u,kv式中W为测点流速；奴为局部摩阻流速;为垂线平均流速;A为卡门常数;Z,为测点到床面的距离；P为运动黏性系数。令叭=Q(y)匕，式(3)变为：赤+普W式中部3)为位于y处测点的局部水深。令C=a(y)/kD=a(y)+比。(乎二/(*)+Q(y)C式(5)变为：(5)(6)g=Cln(y/)

14、+D式中：71=页切，为相对高度。主槽区：叩=方；主槽边坡区：=;滩地区：7?因此，式(7)和式(3)是等价的。如果滩地没有植物，其流速满足对数分布。对于断面不同位置，系数C和D近似为某一常数59】。2.1水面线图4反映不同密度下，主槽、滩地的水面线情况。主槽无植被25棵50棵/m.200棵/m一滩地”456789(b)溥地x，m图4不同蘑度下的水面线(S=1.25%e,Q=73Ls,=20cm)Fig.4Watersurfacelineswithdifferentdensities(So=1.25知,。=73L/s,/=20cm)从图4中可以看出，滩地种有植被后，主槽水位略有升高，但滩地水位

15、变化较明显，密度越大，水位升高越多。2.2植被疏密度对流速分布影响图5、图6反映了滩地植物疏密度情况下，不同位置垂线平均流速及流速分布的影响。这里选用了流量Q=73L/so图6分析流速分布时，采用无量纲数，即相对流速和相对高度，图中U为测点流速,VA为断面平均流速，77为相对高度。在这些图中,考虑了4个不同的位置，即y=15,30,35cm和70cm,也就是主槽中心、主槽边坡起点、滩槽交界处、滩地中心附近。从图5、图6中可以看出，复式河槽滩地无植被时，主槽、滩地及滩槽交界处垂线流速均自床面沿垂线均逐渐增大，流速值在水表面达到最大，整个床面流速趋势没有明显变化,流速均满足对数分布，主槽流速大于滩

16、地流速。对于刚性植物，复式河槽整个床面流速分布基本不满足对数分布c在滩地有植被后，发现这种分布将水流分为3个区域，主槽区流速明显增大，由于滩槽受交互区水流影响较小，流速分布近似于对数分布;离滩槽交互区越近，受其影响越大，流速分布越趋近于S型。滩地区，随着密度的增大，滩地流速明显减小，水流阻力有所增加，过流能力减小，其流速服从S型分布较为明显。滩地速流减小程度实际反映植物疏密度对水流阻力大小。图6也反映出不同的区域，流速出现转折点的位置不相同。滩槽交互区，在可=0.15处附近，流速变化明显，出现转折点。而滩地区，在7?=0.08附近，流速出现转折点。不同滩地密度流速出现转折点的位置不相同。总体而

17、言，密度越大，流速变化越明显,S型分布越显著。80706050403020as图5不同密度下的垂线平均流速LOO(So=1.25%e,Q=731780=20cm)Fig.5Averagevelocityofverticallineswithdifferentdensities(So=1.25%c,Q=73L/s,H=20cm)(c)j-=35cmU/VA(d)y=70cmU/VAcm=12cm06080UKcm-f)20)64020406080(b)植物密度：25株/m，20(a)植物密度：200株/m，.=12cm尸18cm图6不同位置垂线流速分布(So=1.25务,。=73L/s,=20c

18、m)Fig.6Velocitydistributionofverticallinesatdifferentlocations(So=1.25%e,Q=73L/,/=20cm)2.3植物高度对流速分布的影响图7反映出了不同植被高度对滩槽交界面处垂线流速分布的影响。这里考虑了两个植被高度，即Hv=18cm和/r=12cm；以及流量;Q=731/s,采用常用坐标。图中为测点流速,Z,为测点的水深。2016图7滩槽交界面流速垂线分布(So=1.25务.Q=73iyS,/=20cm)Fig.7Verticaldistributionofvelocityattheintersectionofchannel

19、s(So二1.25务，Q=73=20cm)从图7中可以看出，流速分布仍呈S型趋势，植被高度小,滩地流速相对较大。同一植被高度，密度越大，流速出现转折点的位置越格近床面。对于同种植被密度而言,不同植被高度，流速出现转折点的位置也是不相同。图7(a)中看出,/=18cm,在冬=2.15cm处附近，流速出现转折点，而乩=12cm,在Zp=3cm处附近，流速出现转折点。植被高度大，流速出现转折点的位置越靠近床面。3结论通过滩地有无植被的复式河槽水流结构的水流试验，可以获得：1) 在相对水深较大时，在滩地无植被情况下,其整个断面垂线流速分布满足对数分布。2) 在滩地种树后，主槽流速分布仍呈对数分布，而滩

20、地流速呈S型分布。这种S型分布的形状与水深、垂线位置和植物密度有关。通过比较发现,滩地种树后，主槽流速均明显增大，而滩地明显减小，增加或减小的程度与植被的密度和水深有关，滩地流速减小程度实际反映植物密度对水流阻力大小。同种植物，不同的密度对水流的阻力是不同的。总体而言,植被密度越大，对流速分布影响越显著，对水流的阻力影响越大。参考文献：:1JKnightDW,DemetriouJD.FloodplainandmaincharnelflowinteractionJ.JournalofHydraulicsEngineering,1983,109(8):1073-1092.2KnightDW,ShionoK.TurbulencemeasurementsinashearlayerregionofacompoundchannelLJ.JournalofHydraul