含剛性沉水植物明渠水流結構的試驗研究

王子建，丁 雪，吉慶豐

（揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

自國務院發布《水污染防治行動》以來，全國各個地區都在積極采取行動治理黑臭河道。整治黑臭河道最重要的就是加強河流生態系統建設[1]，而水生植物作為河流生態系統中必不可少的組成部分[2]，不僅可以凈化河湖水系，為河流中的生物提供良好的生存環境，而且河岸種植的植物還具有美化景觀的作用。因此，研究水生植物對于黑臭河道的治理具有非常重要的意義。

David等[3]在鋪有細碎石子的槽底種植不同密度的柔性植被，植被的高度小于水深，呈淹沒狀態，通過物理試驗研究了水流的阻力特性和紊動特性。Ortiz等[4]研究了種有淹沒柔性植物和非淹沒剛性植物明渠的水流特性和泥沙沉積。Zeng等[5]對水流流經半剛性植被時的阻力特性進行了研究，采用了2種研究方法，一是進行了物理試驗，二是建立數學模型進行了數值模擬。Shi等[6]對不同流量不同植物密度的含植物水槽進行了試驗，將流動分為3個區域，研究了曼寧糙率系數、雷諾數以及弗勞德數3個參數的變化規律。渠庚等[7]利用 ADV對無植物、含淹沒型植物、含非淹沒型柔性植物水流阻力特性的變化規律進行了研究，對不同植物的水流阻力進行分區回歸分析，得到各植物的水流阻力在不同分區的經驗表達式。景何仿等[8]利用水位計及 LDV等儀器對不同工況下的流速分布、水位分布等進行了測量，指出植物區域的流速、水面坡降與植被的種植密度、排列方式密切相關。李坤芳等[9]通過在水槽中布置交錯排列的竹簽研究非淹沒的剛性植物對水流不同方向的紊動能所產生的影響，發現植物對不同方向的紊動能分布影響程度不一樣。

含植物明渠流速分布的變化對于明渠水流的阻力特性、紊流特性等都會產生影響[10]，而且含植物明渠的流速分布與普通明渠的流速分布差異很大，植物自身剛度特性、高度、分布密度等因素都會影響含植物明渠的流速分布。紊動強度的分布直接反映了水流紊動的強弱程度，雷諾應力是剪切流場中紊動引起的動量交換的結果，也是反映水流紊動特性的重要指標。對以上物理量的測量對于研究含植物明渠中水流具有重要的意義?，F代測量儀器的發展，為流場測量提供了新的契機。粒子圖像測速儀（PIV）克服了單點測量的不足，能夠提供瞬時全場的流動信息。本文利用 PIV對含剛性沉水植物明渠的水流特性進行了水槽試驗，研究了不同流量、不同密度情況下流速、紊動強度以及雷諾應力的分布規律。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗在長×寬×高為8 m×1 m×0.35 m的有機玻璃水槽中進行。試驗裝置圖見圖1，水槽為自循環供水，在管路中裝有電磁流量計、混流泵、調節閥門。為了確保試驗段水流平穩，在水槽進口處設有2道整流柵，并在2道整流柵之間布置穩水隔板。在水槽出水處使用水管吸水，在出口處距離吸水管上游30 cm的地方也布置了一道整流柵。試驗方案設計的植物帶長度為2 m，在水槽底部中間位置鋪設有PVC塑料板，塑料板的厚度為1 cm，板上鉆有距離相等的小孔用于安插植物。

圖1 水槽布置示意圖（cm）Fig.1 Diagram of flume layout(cm)

圖2 植物平面布置圖（cm）Fig.2 Plane layout of plants(cm)

表1 工況參數Table 1 Working condition parameter

1.2 試驗工況及方法

采用有機玻璃棒代替剛性植物，有機玻璃棒直徑為6 mm，長度分別為7 cm和10 cm，布置完成后淹沒情況的模擬植物高度分別為6 cm及9 cm。試驗時水深h為0.28 m；流量Q分為3個量級，分別為120、85、40 m3/h；植物密度D有2種，分別為600、2 400 p/m2，模擬植物采用等間距平行布置，其平面布置如圖2所示。雷諾數Re=vh/ν，式中：ν為水的運動粘度，用斷面平均流速um代入；Re=13 642~40 926，大于500為紊流；水溫T用溫度計測量；試驗工況見表1。

試驗時先對上下游水位進行測量，通過電磁流量計和混流泵調節閥門，調整水槽中的流量為所需流量。在水位和流量調整好后，待水流穩定，利用PIV測量獲得流場數據，然后在Dynamic Studio中對相機拍攝的流場照片進行處理，導出流場數據。本試驗采用自適應互相關算法，拍攝時采用雙幀模式，采集80對圖片，處理后剔除數據明顯不合理的矢量圖，然后進行后續處理。

2 結果與分析

2.1 流速分布規律

工況1和工況2下測得的平均流速分布見圖3。

圖3 有植物與無植物平均流速分布規律對比圖Fig.3 Comparison of average velocity distribution between plants and no plants

由圖3可以看出，無植物時流速沿垂向呈對數分布，由于水槽槽底黏滯力的存在，在水槽底部流速較小，沿水深往上，由于擺脫了黏滯力的作用，流速逐漸增大至最大值，然后保持最大值基本不變。有植物存在時，流速不再符合對數分布規律，而是呈現明顯的分區分布特征，在植物帶內部，由于植物的阻水作用，流速極小，在植物帶上方由于擺脫了植物的阻水作用，流速逐漸增大，在靠近水面處增至最大值，然后保持最大值基本不變。有植物存在時水槽中的最大流速大于無植物存在時的最大流速。

工況2、工況3、工況4下測得的平均流速分布見圖4。由圖4可知，水槽中進水流量越大水流的流速就越大，同時植物頂端位置的流速梯度以及植物帶上方所達到的流速最大值也越大。工況2、工況5下測得的平均流速分布見圖5。由圖5可知，植物的種植密度越大，植物帶內部的速度越小，而植物帶上方的流速最大值越大，同時植物頂端位置的流速梯度隨著密度的增大而增大。

圖4 不同流量工況下流速沿垂向分布圖Fig.4 Vertical distribution of flow velocity under different flow conditions

圖5 不同植物密度工況下流速沿垂向分布圖Fig.5 Vertical distribution of flow velocity under different plant density conditions

河底的剛性植物將會極大地改變水流的流速分布，含剛性沉底植物明渠中自由水面附近與水底附近的流速大小差異很大，植物頂端位置上部較大的流速梯度意味著在這一區域水流紊動程度較強。對于實際河道，流速分布的改變將會導致河道過流能力的改變，勢必將對河道行洪、排澇、灌溉等功能產生影響。

2.2 紊動強度分布規律

工況1和工況2下測得的紊動強度分布規律見圖6。由圖6可知，水槽中無植物時紊動強度沿垂向分布的變化不大；有植物存在時，水流明顯紊動劇烈，紊動強度自槽底開始逐漸增加，在植物頂端位置紊動強度達到最大值，而后紊動強度又逐漸減小，在靠近水面處一段距離紊動強度保持較小的數值且幾乎不變。

工況2、工況3、工況4下紊動強度沿垂向的分布見圖7。由圖7可知，無論是植物頂端位置以上或是以下區域，流量越大，紊動強度越大。工況2和工況5下紊動強度沿垂向的分布見圖8，由圖8可知，在植物頂端位置以下以及靠近水面的區域，分布密度對紊動強度的影響較??；分布密度對紊動強度在植物頂端位置以上區域影響最大，在該區域，紊動強度隨植物密度的增大而增大。

圖6 有植物與無植物紊動強度分布規律對比圖Fig.6 Comparison of distribution law of turbulence intensity between plants and no plants

圖7 不同流量工況下紊動強度沿垂向分布圖Fig.7 Vertical distribution of turbulence intensity under different flow conditions

圖8 不同植物密度工況下紊動強度沿垂向分布圖Fig.8 Vertical distribution of turbulence intensity under different plants density conditions

相比于普通明渠，含剛性沉水植物明渠中的水流紊動強度顯著增強，植物密度或者流量的增大都會擴大這一影響。紊動強度增大，意味著水流紊動摻混更加劇烈，流體質點交換和能量傳遞增強。在實際河道中，紊動作用的增強有利于污染物質輸移，水體水質凈化，這對于改善河道環境，改良河道生態等都具有重要的意義。

2.3 雷諾應力分布規律

通過PIV測量得到的雷諾應力可表示為：

工況1和工況2下測得的雷諾應力沿垂向的分布見圖9，工況2、工況3、工況4下雷諾應力沿垂向的分布見圖10，工況2和工況5下測得的雷諾應力分布見圖11。將雷諾應力的分布規律與紊動強度的分布規律做比較，發現二者的分布規律相似。有植物時雷諾應力的最大值同樣出現在植物頂端位置附近。流量或植物密度越大，植物頂端位置的雷諾應力也就越大。雷諾應力是由于紊動水團的交換在流層之間產生的附加切應力，由雷諾應力的表達式可以看出，雷諾應力與脈動流速及液體密度有關，對于本試驗而言，雷諾應力在不同工況下的不同分布主要與脈動流速有關，這與脈動強度是一致的，而不同工況下脈動流速的差異是流量和植物密度的不同導致的，因此雷諾應力的分布規律與紊動強度的分布規律相似是合理的。

圖9 有植物與無植物雷諾應力分布規律對比圖Fig.9 Comparison of Reynolds stress distribution between plants and no plants

圖10 不同流量工況下測點處雷諾應力分布圖Fig.10 Vertical distribution of Reynolds stress under different flow conditions

圖11 不同植物密度工況下測點處雷諾應力分布圖Fig.11 Vertical distribution of Reynolds stress under different plants density conditions

圖12 數值模擬與水槽試驗的流速分布對比圖Fig.12 Comparison of flow velocity distribution between numerical simulation and physical model experiment

圖13 數值模擬不同流量工況下紊動強度沿垂向分布圖Fig.13 Vertical distribution of turbulence intensity under different flow conditions(numerical simulation)

3 討 論

丁雪等[11]采用多孔介質模型的結果與本研究中水槽試驗的結果基本一致。流速沿垂向的分布在植物頂端位置以下吻合較好，在植物頂端位置以上部分，水槽試驗結果的流速梯度更大，流速曲線拐點位置相比數值模擬的結果更高。

對于紊動強度，水槽試驗和數值模擬的結果也是基本吻合的，在細節上有所區別。數值模擬時，紊動強度在沿z軸正方向達到最大值后迅速減小，在水面附近區域都保持較小的數值。而在水槽試驗中，紊動強度在沿z軸正方向達到最大值后逐漸減小，在接近水面時降至一較小值后保持穩定。此外，數值模擬時紊動強度的最大值所在的高度稍高于植物頂端位置高度，這一現象在物理模擬中不明顯，但在數值模擬中極為明顯。

4 結 論

1）在水槽槽底布置植物，改變了水槽的槽底結構。由于受到植物的阻礙，水流結構發生改變，流速分布較之于普通明渠區別很大。

2）水流紊動摻混增強，流體質點交換和能量交換則增強。

3）在植物頂端位置附近，植物的阻水作用尤為明顯，此處出現了最大的流速梯度，最大的紊動強度和最大的雷諾應力，且這一特征隨著流量、植物密度的增大而表現得越發明顯。