剛性雙層植物河道水流垂向流速分布試驗研究

郝文龍，朱長軍，郝振純

剛性雙層植物河道水流垂向流速分布試驗研究

郝文龍1，朱長軍2，郝振純1

（1.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210000；2.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038）

天然河道中植物高低不等，為了研究在淹沒條件下含剛性雙層植物河道的水流流速垂向分布規律，試驗在矩形平底水槽中，采用PVC圓柱棒對剛性植物進行模擬，用三維多普勒超聲測速儀（ADV）對流速進行測量，分析在兩種不同高度植物存在的情況下流速的變化規律。試驗結果表明：（1）高棒之后區域的流速分布曲線存在4個拐點，分布曲線分為5個部分，各部分水流特性各不相同。（2）短棒之后的區域的流速分布曲線存在3個拐點，分布曲線分為4個部分。這兩個區域的流速分布曲線的形狀在短棒之上、高棒之下的部分有所不同，其他部分大體相似。（3）短棒之下的水流速度大小不盡相同，但在高棒之上的水流流速分布逐漸收斂于一條對數曲線上，高棒之上的水流流速分布符合無植物水流水面附近的流速分布情況。

矩形水槽；剛性雙層植物；流速分布

研究水流通過植物的復雜現象可以更好地理解其中所涉及到的物理現象，植物的存在可以提高河岸的穩定性，減少河岸侵蝕的現象發生，對污染物濃度的降低和減少洪水災害的發生都有重要意義。目前，很多科學工作者都在進行這方面的研究，工作主要集中在以下幾個方面：在不同植物布置情況下，通過計算拖曳系數來量化流體阻力，并建立有關于植物密度和雷諾應力的函數[1-3]；通過試驗分析流速和紊動強度的變化規律來加深理解這種物理過程[4-6]；還有很多研究人員在均勻排列的植物條件下建立了預測平均流速和紊流結構的數學模型[7-9]；Liu等[10]采用兩種高度不同的丙烯酸樹脂材料的圓棒模擬剛性植物，對雙層植物的流速分布、紊動強度分布和輸水阻力特性進行了研究，并給出了其分布規律；王雯、槐文信[11]對剛性淹沒雙層植被明渠水流特性進行研究，給出了雙平均條件下的明渠流速、雷諾應力及紊動能分布，并對紊動能平衡方程中的各項進行了分析。但是，這些研究都主要集中在淹沒或非淹沒狀態下的單一類型植物的研究。由于植物的類型和水流的流動條件不同，實際河岸環境中不同植物的淹沒度也不盡相同。正是因為實際環境中這些復雜因素的存在增加了河流環境的不穩定性，所以本文采用了兩種不同高度的圓棒模擬剛性植物進行了水槽實驗并分析了流速的變化規律。

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1 試驗概況

為了更加全面地考慮實際河道中植物對水流的影響，本次研究在水槽中用兩種高低不同的圓棒模擬了剛性植物對河道水流影響的試驗。

圖2 圓棒布置示意圖Fig.2 Sketch map of cylindrical rods

模擬試驗是在河北工程大學水利館中進行的，用變坡水槽對天然河道進行模擬，水槽長7 m，寬0.5 m，高0.5 m，水槽兩側為玻璃壁面，底面鋪滿了大小不一的小石子，水槽下方設置著升降螺桿，可以對水槽的坡度進行調節。水槽進水部位設置了進水閥門和消能柵，消能柵對水流有一定的緩沖作用，水流穩定后進入水槽。水槽尾部設置閘門，調節閘門的開度可以對水槽的水位進行控制。為了對水位進一步嚴格地控制，在水槽水流方向上設置了兩個水位計。變坡水槽布置如圖1所示。

天然植物形態各異，特性復雜，而且難以在水槽中進行固定。因此，試驗采用PVC圓棒對天然剛性植物進行模擬，圓棒有兩種規格，一種是直徑D=1 cm，高hv=8 cm，另一種是直徑D=1 cm，高hv=4 cm。

為了減小水流的擾動，底坡坡度為0.001，水流的Fr比較小。試驗采取的布置方式如圖2所示。種樹帶長3 m，流速的測量采用三維多普勒超聲測速儀（ADV）從槽底部1 cm開始測量至水面，測量垂線的位置如圖2所示。

表1 試驗水力學特征參數及植物特征參數Tab.1 Parameters of the hydraulic characteristics and plant characteristics

布置方式水力學參數及植物特征參數見表1所示。表中：

式中U為水流平均流速；h為平均水深；v為水流運動粘性系數。

2 試驗結果與分析

圖3所示是雙層植物在明渠水流中各測量垂線的流速分布圖，z是從水槽底部到測量點的高度，由圖可以看出，在短棒高度之下的流速分布中，水流相對比較自由的區域（測量垂線2、4、7、9）速度是最大的，而最小的水流速度出現在圓棒的下游區域（測量垂線1、5、8、11、12），在圓棒的上游區域（測速垂線3、6、10），水流的速度接近最大流速和最小流速的中間值。

圖3 雙層植物各垂線流速分布圖Fig.3 Velocity profiles of double layer vegetation downstream

短棒高度之上的流速增長要比短棒高度之下的流速增長速度要快，這是因為高棒的布置比較稀疏，短棒的布置密度比較大，短棒高度之上的區域水流阻力較小，水流的流動更加自由。由圖3可以看出，雖然每條測量垂線有不同的初始速度，但在高棒之上的水流區域流速分布逐漸收斂于一條對數曲線上，高棒之上的水流流速分布符合半對數分布。

圖4（a）和（b）分別是高棒下游區域（測速垂線5、11）和短棒下游區域（測速垂線1、8、12）試驗所得的數據點分布圖，而圖5是其速度分布的一個典型線分布圖。從圖5曲線（a）可以看出，曲線存在4個拐點，流速分布大體可以分為5個區域，接近水槽底部的拐點發生在點A，點A之下的區域為粘性底層區域，在短棒之下附近處有一個流速的拐點B，AB段流速隨著高度的增加基本保持不變，說明在此區域內切應力和重力的作用相互平衡。在短棒之上的流速分布存在一個極小值點C，BC段流速隨著高度的增加而減小，這是因為在高棒之后的附近區域有高棒的阻擋，對水流的流速有一定的阻礙作用，再往上到CD段之后，阻擋作用減小，流速隨著高度的增加開始變大，直到高棒頂端。D點以上，流速隨著高度的增加以較穩定的斜率增加，高棒之上的水流流速分布符合無植物水流水面附近的流速分布情況。

圖4 圓棒下游垂線流速分布圖Fig.4 Velocity profiles of cylindrical bar downstream

圖5 植物區域典型流速分布圖Fig.5 Typical velocity profiles of vegetation area

短棒下游區域的流速分布如圖4（b）所示，此區域短棒之下的流速分布和（a）的略有不同，這和高棒和短棒的長度比和圓棒的密度有關系。從圖5曲線（b）可以看出，曲線存在3個拐點，流速分布大體可分為4個區域，接近水槽底部的拐點發生在點A，點A之下的區域為粘性底層區域，在短棒之下附近處有一個流速的拐點B，AB段流速隨著高度的增加基本保持不變，這和圖5曲線（a）是相似的。在圖5中BD段，曲線（b）沒有曲線（a）的C點，流速隨著高度的增加一直增加到高棒頂端，這是由于，（a）中由于高棒的阻擋，流速有一個減小的過程，而（b）中高棒對此區域的影響已經可以忽略不計，流速的增加是持續的。D點以上，流速隨著高度的增加以較穩定的斜率增加，這和曲線（a）中D點之上的分布也是相似的，水流流速分布符合無植物水流水面附近的流速分布情況。

3 結論

高棒之后的流速分布曲線分為五個部分，矮棒之后的流速分布曲線分為四個部分，各部分的流速特性不同。整體上看，高棒和矮棒之后的區域都存在一個粘性區域層，再往上，隨著高度的升高，流速變化不是很明顯。在矮棒頂端到高棒頂端這個高度范圍內，兩者的分布曲線不同，高棒之后的分布曲線存在一個拐點，隨著高度的增加，流速先變小，在達到一個極小值點后，流速開始變大，而矮棒之后的分布曲線不存在拐點，隨著高度的升高，流速變大。在高棒高度以上，兩者的流速分布曲線相似，流速隨高度的增加以較穩定的斜率增加，高棒之上的水流流速分布符合無植物水流水面附近的情況。

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[11]王 雯，槐文信.剛性淹沒雙層植被明渠水流紊流特性研究[J].四川大學學報：工程科學版，2014，46(1)：61-67.

（責任編輯 王利君）

Experimental Study on Vertical Distribution of Flow Velocity in Vegetated Channel

HAO Wenlong1,ZHU Changjun2,HAO Zhenchun1

(1.State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210000, China;2. College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Hebei Handan, 056038)

In the experimental study on vertical distribution of flow velocity in double layer vegetated channel, PVC cylindrical rods are simulated as a rigid vegetation. Three-dimensional ultrasonic Doppler speedometer ADV is used to measure velocities in different locations of the rectangular flume. The results show that：(1) the velocity profile behind tall rods exists four inflection points that divide the velocity profile curve into five parts. And the flow characteristics of each part are not identical. (2) the velocity profile behind short rods existes three inflection points that divide the velocity profile curve into four parts. The shapes of velocity profile between the height of tall rods and short rods are different and other parts are generally similar.(3) the velocities under the height of short rods are different, but velocity profile at all locations above the tall rods can appear to converge onto a single logarithmic profile with a slip velocity, which is consistent with the velocity distribution near the water surface of the non-vegetated layer.

rectangular flume; double layer rigid vegetation; distribution of flow velocity

TV8

A

1673-9469（2017）01-0057-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.013

2016-11-11

國家重點研發計劃項目（2016YFC0402704）

郝文龍（1988-），男，河北邯鄲人，博士，研究方向為水文物理規律模擬及水文預報。