含非淹沒剛性植物明渠水流結構試驗研究

朱宇澤 上海友為工程設計有限公司

1.引言

水生態與水環境問題是當前的重要問題，水體中的富含有機物、磷、氮等導致水體富營養化。水生植物可以凈化水體，在明渠中種植植物會改變水流結構。王忖研究了挺水植物菖蒲對水流結構的影響，流速以其枝葉分叉點為拐點，往上流速減小，往下流速增大；紊動特性為各向異性，枝葉分叉處出現最大值。劉誠建立三維數學模型來研究水生植物對河道形態的影響，發現岸邊植物帶減小了植物帶內部的流速?；蔽男旁谠囼炛邪l現了水流在垂向上“J”型分布的規律。趙連權分析天然挺水植物對水流結構的影響，發現植物的存在使得水流的紊動增強。Ortiz研究了含淹沒柔性植物和非淹沒剛性植物明渠的水流結構特性。

2.試驗裝置

本試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置立面示意圖（單位：mm）

水槽尺寸為8m×1m×0.35m（長×寬×高），水流為自循環，采用二維PIV測量，此測速儀器對于水流無干擾。非淹沒剛性植物，用直徑6mm，長度32cm的透明塑料棒模擬。本試驗水深分別為0.2m、0.25m、0.28m；植物規則排列，密度分別為300株/m2、150株/m2。每種工況測100組瞬時流速，選取植物間的一條垂線上的數據用作分析，位置如圖中所示。

3.試驗成果分析

3.1 試驗工況

試驗工況設置見表1。

表1 試驗工況表

測量后分析順水流方向的時均流速u，順水流方向紊動量Tu，垂直水流方向紊動量Tv的規律。

其中，

ui,vi—順水流與垂直水流方向瞬時流速；

u,v—順水流與垂直水流方向時均流速，。

3.2 不同流量情況下下水流結構分析

在河道中栽種挺水植物以改善生態。不同河道流量有差別，則需考慮其影響。

分析A1～A5的u，v，Tu的規律。結果見圖2。

可見，隨著流量的增大，u增大。u增大的同時，Tu、Tv也增大，其余條件相同的情況下，流量對于紊動量大小的影響很直接。

圖2 流量不同時水流結構對比

除了上述規律以外，這幾個特征量在垂向分布上還有別的規律。

u在垂向的分布趨于平衡。與不含植物明渠中u符合的對數率不同，呈現增大→趨于不變→減小的規律。Tu的垂向分布規律大致為渠底與水面大，水體內部小。Tv的垂向分布有渠底與水面小，水體內部大的規律。

3.3 不同植物密度情況下水流結構分析

種植挺水植物時，植物密度是重要的量，需考慮其影響。分析B1和B2的u、Tu、Tv的規律，結果見圖3。

圖3 植物密度不同時水流結構對比

可見，植物密度I對u、Tu、Tv有影響。

其他條件相同，從渠底至約0.65H處，I大的水體u比I小的水體大。而從約0.65H處至水面則相反。I大，所占用的水體空間就更大，流量Q與水深H相同時勢必會增大流速。同事非淹沒植物受水流影響的擺動反作用于水流，I大的水體靠近水面部分受到的影響更大，這也導致了在約0.65H處以上I大的水流速度變得比I小的水流速度小。

Tu、Tv也受到I變化的影響，其他條件相同時，I大的水體，Tu、Tv都大于I小的水體。在河道中種植植物時需要考慮到其密度對水流結構的影響。

3.4 不同水深情況下水流結構分析

同一條河道中的底高程會有一定的變化，高程的變化勢必會影響水流流態。對比C1～C3工況下的u、Tu、Tv的變化規律。

對比結果見圖4。

圖4 水深不同時水流結構對比

從圖4可以看出，其他條件相同的情況下，水深H對于含植物水流的順水流方向流速u，順水流方向紊動量Tu、垂直水流方向紊動量Tv均有影響。

u隨著水深H的減小而增大，H從大變小，過水斷面面積從大變小，所以u逐漸變大。在明渠中，遇到底高程降低的情況，如河底局部被挖泥，流速會減小，通過這一段河床后流速會增大，流速的變化影響著河道沖淤。在河道整治過程中，河底高程的變化應當加以考慮。

Tu、Tv也隨著水深H的減小而增大，在含植物明渠紊動量的絕對大小增大的同時，垂直水流方向的紊動量最大值也逐漸降低，更加接近渠底。

4.總結

本文分別研究了不同流量、植物密度、水深情況下含非淹沒剛性植物水流的u、Tu、Tv的規律。

其他條件相同時，流量越大，u、Tu、Tv均越大。植物密度不同時，u在約0.65H處交叉，此位置以下，植物密度大的流速大，此位置以上，植物密度小的流速大；Tu、Tv均隨著植物密度的增大而增大。水深不同時，u、Tu、Tv均隨著水深的減小而增大，且Tv最大值更接近渠底。