生態(tài)浮床對水流水力特性影響研究

周志華 董禎 李彥濤

摘 要：運用水槽試驗和三維水動力數(shù)學模型，研究了生態(tài)浮床串聯(lián)居中排列、無間距交錯排列工況下的水流水動力特征及其變化規(guī)律，結(jié)果表明：浮床無間距交錯排列水面壅高高于浮床串聯(lián)居中排列的;浮床無間距交錯排列的流場具有不對稱性，水流較為紊亂，局部位置形成旋渦;浮床交錯排列形成的旋渦及紊流有利于污染物擴散、分解，但是阻水作用明顯，若考慮河道行洪排澇，浮床串聯(lián)居中排列要優(yōu)于無間距交錯排列。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床;水槽試驗;水動力模型;串聯(lián)排列;交錯排列

中圖分類號：TV131 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.019

引用格式：周志華，董禎，李彥濤.生態(tài)浮床對水流水力特性影響研究[J].人民黃河，2021，43（4）：106-110，126.

Abstract： In this paper， flume tests and three-dimensional hydrodynamic mathematical model were used to study the hydrodynamic characteristics and variation of the ecological floating bed in series arrangement and staggered arrangement without spacing. The results show that the height of the water surface in the staggered arrangement of the floating bed is higher than that in the series， and the flow field in the staggered arrangement of the floating bed has asymmetry， the water flow is disordered， and the local position forms a vortex. The vortices and turbulence formed by the staggered floating bed are conducive to the diffusion and decomposition of pollutants， but the water blocking effect is obvious. In consideration of flood drainage， the floating bed in series and middle arrangement is better than the staggered arrangement without spacing.

Key words： ecological floating bed; flume test; hydrodynamic model; series arrangement; staggered arrangement

生態(tài)浮床又稱生態(tài)浮島、人工浮床等，是一種采用現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施綜合集成的水面無土種植植物技術(shù)。生態(tài)浮床由植被基（生態(tài)浮床平臺）、植物和固定系統(tǒng)組成，通過生長在植被基上的植物、植物根系表面的微生物及水生生物凈化水質(zhì)，其凈化機制主要為植物對營養(yǎng)物質(zhì)的生化作用、微生物的吸收與降解、水生生物的吸收等[1]。生態(tài)浮床已成功應(yīng)用于我國大型水庫、湖泊、河道等水體綜合治理中。

目前國內(nèi)外學者大多從植物篩選和凈化效果上對生態(tài)浮床進行研究，而從水動力學角度研究生態(tài)浮床凈化機制的較少[2]。通過試驗和數(shù)值模擬方法可以得出浮床布置后水體流速、紊動強度等水動力特征的變化情況[3-4]。朱紅鈞等[5]研究發(fā)現(xiàn)，河道中布設(shè)種植圈對縱向流速分布有明顯影響，同時相對湍流強度和雷諾應(yīng)力增大;何寧等[6]對水浮蓮型生態(tài)河道凈化效果進行了室內(nèi)模型試驗，并分析了種植水浮蓮前后流速的分布規(guī)律;李勇等[7]采用水槽試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了雙方柱浮床3種布置形式對河流水動力特征的影響;Rao L等[8-9]搭建雙層組合模型描述浮床，研究了浮床對水流特性的影響和水質(zhì)凈化效率;唐漪[10]設(shè)計了一款3層結(jié)構(gòu)的生態(tài)浮床，并利用Visual MODFLOW對水體在生態(tài)浮床系統(tǒng)內(nèi)部的水流狀態(tài)進行了模擬，優(yōu)選出不同水動力條件下浮床的設(shè)計規(guī)模;劉彥東等[11]對含柔性沉水植物的河道開展水力特征三維數(shù)值模擬，將柔性沉水植物區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)區(qū)域，得出了河道沿程水位曲線、流速和紊動強度等參數(shù)的垂線分布。筆者利用水槽試驗，結(jié)合三維數(shù)值模擬方法，研究生態(tài)浮床對水流水力特性的影響。

1 研究方法

1.1 水槽試驗

試驗水槽長30 m、寬2 m、高0.9 m，兩側(cè)為透明玻璃，底部為鋼板。試驗段位于水槽中部，長12 m，采用碎石子鋪底作為試驗段床面，厚20 cm，在試驗段上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)置緩坡，使得進入試驗段水流平順。試驗進口流量為0.32 m3/s，即斷面平均流速為0.4 m/s，出口控制斷面水深40 cm。通過多次調(diào)節(jié)，沿程各斷面垂向流速呈對數(shù)分布，橫向流速分布較均勻，流速基本一致，達到試驗要求的平均流速和控制斷面水深。試驗水槽布置示意見圖1。

為保證水流平穩(wěn)，盡量避免尾門附近水面波動的影響，在試驗段均勻設(shè)置了11個水面線測量斷面和5個流速測量斷面，同時每個流速測量斷面設(shè)置5條測線，每條測線沿水深均勻布置6個測點。水槽試驗采用無浮床組、浮床串聯(lián)居中排列和浮床無間距交錯排列3種布置形式。長方形浮床每塊方形板尺寸為0.33 m×0.33 m，共使用36塊方形浮板組裝成1 m×4 m或者2個1 m×2 m的長方形浮床，浮床采用PE材質(zhì)，通過底部固定方式安裝，保證浮床可以相對穩(wěn)定地浮在水面上。浮床植物為黃菖蒲，一盆3株左右，高約50 cm，根系長約15 cm。浮床串聯(lián)居中排列測量斷面分布見圖2，浮床無間距交錯排列測量斷面分布見圖3。

水槽試驗測試結(jié)果見表1、表2。試驗中流速測量采用聲學多普勒流速儀（ADV），通過移動測架進行測點定位。水位測量采用水位測針，精確度為0.1 mm，通過沿程各水位測量斷面的水位測針讀數(shù)并進行換算，得出各工況下對應(yīng)的水面線。采用曼寧公式和謝才公式將水流近似作為均勻流處理，結(jié)合試驗流速、水力坡降數(shù)據(jù)計算得到無浮床、浮床串聯(lián)居中排列和浮床無間距交錯排列的糙率分別為0.026、0.042、0.044。

1.2 數(shù)學模型

通過搭建三維水動力數(shù)學模型模擬生態(tài)浮床對河道水動力特征的影響。

1.2.1 控制方程

三維模型采用RNG K-ε雙方程紊流模型[12]。水流連續(xù)方程：

在采用RNG K-ε模型求解紊流問題時，控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程，以及K、ε方程。

1.2.2 求解方法

三維數(shù)學模型的數(shù)值離散均采用有限體積法[13]，該方法的優(yōu)點在于能很好地保證水動力模型中水量和動量守恒。通量求解采用自動迎風格式，變量存儲采用交錯網(wǎng)格，即主網(wǎng)格點上布置水位等標量，而將流速變量布置在主網(wǎng)格點交界面上，以解決水位波動問題。

1.2.3 水槽三維水動力模型構(gòu)建

（1）網(wǎng)格劃分。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，構(gòu)建規(guī)則的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。水流方向為X向，水槽橫斷面方向為Y向，水槽垂直方向為Z向。以浮床串聯(lián)排列為例說明網(wǎng)格剖分情況。網(wǎng)格劃分為浮床主體區(qū)、浮床根系區(qū)、非浮床區(qū)3個部分。浮床主體區(qū)X向尺寸為4 m，Y向尺寸為1 m，Z向尺寸為0.1 m，浮床主體區(qū)在Z向的范圍為0.4～0.5 m，位于初始水面以上;浮床根系區(qū)X向尺寸為4 m，Y向尺寸為1 m，Z向尺寸為0.1 m，浮床根系區(qū)在Z向的范圍為0.3～0.4 m，位于初始水面下。X向網(wǎng)格尺寸為0.05 m，Y向網(wǎng)格尺寸為0.1 m，除了網(wǎng)格在底部壁面附近存在局部加密以保證邊界層流速模擬精確度外，Z向底部壁面附近、水面線附近網(wǎng)格局部加密至0.01 m，Z向其余網(wǎng)格尺寸為0.02 m。

（2）邊界條件。模型涉及的邊界條件包括進口邊界、出口邊界、固壁邊界、自由水面、浮床區(qū)域。水流進口邊界采用速度進口邊界條件，進口水流流速沿X向為0.4 m/s;進口上部及頂部的空氣進口邊界采用壓力進口邊界條件，壓強設(shè)定為大氣壓。出口邊界包括水流、空氣的混合出口邊界，采用壓力出口邊界，壓強設(shè)定為大氣壓強，并控制下游水位為0.4 m。固壁邊界包括水槽的側(cè)面、底面，采用無滑移邊界條件，通過調(diào)整粗糙度Ks、粗糙度常數(shù)Cs擬合水槽試驗的水面線、流速分布，從而實現(xiàn)率定。考慮到試驗段底部鋪設(shè)卵石，可假設(shè)粗糙度為0.035 m，粗糙度常數(shù)為0.8。浮床區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域，并且劃分為浮床主體區(qū)和浮床根系區(qū)兩個部分。

（3）參數(shù)及解算方法設(shè)置。結(jié)合水槽試驗數(shù)據(jù)，可以推算水流流過生態(tài)浮床所產(chǎn)生的壓強差為30 Pa，壓降較小。生態(tài)浮床的多孔區(qū)域只考慮孔隙率、黏性阻力系數(shù)1/α的影響。模型中根系部分孔隙率取65%，浮床主體部分由于存在種植植物的圓孔以及浮床基質(zhì)，因此孔隙率取10%。根系部分黏性阻力系數(shù)設(shè)置為7.2×107，浮床主體部分黏性阻力系數(shù)1/α采用試算法確定為2.5×108。

模型使用標準K-ε紊流模型[14]，近壁處理采用標準壁面函數(shù)，解算采用SIMPLE模式。壓力插值格式采用Body Force Weighted模式，動量、體積分數(shù)、紊流擴散系數(shù)等插值格式均使用一階迎風格式。計算經(jīng)過10 000個時間步長，每個時間步長0.05 s，每個時間步內(nèi)的最大迭代計算次數(shù)為20。

2 研究成果分析

首先構(gòu)建無浮床工況的水槽三維水動力數(shù)學模型，利用無浮床工況率定粗糙度、粗糙度常數(shù)等參數(shù)。然后結(jié)合室內(nèi)水槽試驗，構(gòu)建有浮床的三維模型，擬合水面線和流速，分析不同浮床排列方式對水流流態(tài)的影響。

2.1 三維水動力模型率定與驗證

（1）無浮床工況。當粗糙度Ks=0.035 m，粗糙度常數(shù)Cs=0.8時，實測與模擬水面線兩者相差最大值為0.66 mm。根據(jù)計算，水面線擬合的納什效率系數(shù)為0.97，擬合效果較好。水面線擬合結(jié)果見圖4，斷面流速擬合結(jié)果見圖5。

（2）浮床串聯(lián)排列工況。浮床串聯(lián)排列工況模擬水面線見圖6。浮床上游以及浮床段擬合效果較好，水位相差最大值為0.12 cm;浮床下游段模擬水面線普遍偏低，但是總體來說，水面線擬合效果仍處于合理范圍。浮床下游段的誤差可能來自于數(shù)值模擬中將生態(tài)浮床視為固定床體，未考慮床體對水面施加的壓力，從而導(dǎo)致下游水位偏低。根據(jù)沿程水流水位情況，可將水流劃分為A到E 5個區(qū)。相較于無浮床工況，A、B兩個區(qū)因浮床的阻水作用均出現(xiàn)明顯壅水;C區(qū)位于浮床段，水流損失部分動能，水面線下降;水流進入D區(qū)后，水面線出現(xiàn)較為劇烈的波動;E區(qū)為浮床下游段，水面線較為平緩，中線水位高于左右兩側(cè)水位。

實測流速與模擬結(jié)果對比見圖7。計算水面線和流速與水槽試驗實測數(shù)據(jù)吻合良好，說明利用兩層式的固定多孔介質(zhì)區(qū)域概化模擬生態(tài)浮床效果較好，模型合理、可行。

2.2 浮床不同排列方案下三維水動力數(shù)學模型計算結(jié)果對比

結(jié)合上述研究結(jié)果，研究浮床串聯(lián)排列、交錯排列方式下生態(tài)浮床對水槽水位、流速、流場等水動力特性的影響。

（1）水面線。浮床串聯(lián)、交錯排列水面壅高情況見圖8（其中試驗平均流速0.4 m/s，控制斷面水深40 cm）。相較于浮床串聯(lián)排列，浮床交錯排列上游段水面平均壅高值增加明顯，交錯排列對水流的阻礙作用更為強烈，導(dǎo)致水面壅高現(xiàn)象更明顯。浮床串聯(lián)排列上游水面平均壅高0.65 cm，下游水面平均壅高0.07 cm;浮床交錯排列上游水面平均壅高1.20 cm，下游水面平均壅高0.25 cm。同時浮床交錯排列導(dǎo)致了水位的不對稱性。在浮床上游段，浮床串聯(lián)排列左、中、右水面壅高值相差較小，而浮床交錯排列此段水面壅高值出現(xiàn)左線>中線>右線的現(xiàn)象，主要原因是靠前浮床放置在左側(cè)，對左側(cè)水流的阻礙作用較強。在浮床下游段，浮床串聯(lián)排列水面壅高值出現(xiàn)中線>左右側(cè)的現(xiàn)象，主要原因是從浮床段流出的水流流速較小，兩側(cè)水流流速較大，所以中線水位壅高值更為明顯。浮床交錯排列水面壅高值出現(xiàn)右側(cè)>中線>左側(cè)的現(xiàn)象，主要原因是靠后放置的浮床處于右側(cè)，從靠后浮床流出的低速水流與其他水流相互摻混導(dǎo)致水流流速降低，水面壅高更加明顯。

（2）流速。無浮床、浮床串聯(lián)排列、浮床交錯排列3種工況在上游2#斷面和下游8#斷面處左、中、右垂線流速分布見圖9、圖10。浮床上游段，交錯排列會明顯導(dǎo)致靠近底部附近水流流速增大，相對增大20%;表層流速減小，且水流流速分布明顯不對稱，出現(xiàn)左側(cè)<中線<右側(cè)的現(xiàn)象[15]。浮床下游段，串聯(lián)排列、交錯排列導(dǎo)致表層流速減小，交錯排列同樣導(dǎo)致水流流速分布不對稱。

（3）流場。浮床串聯(lián)排列時，水流進入浮床前，絕大多數(shù)水流繞開浮床區(qū)，沒有出現(xiàn)旋渦等水流極度紊亂的現(xiàn)象;浮床交錯排列時，后面浮床迎流位置出現(xiàn)一個較大尺寸的旋渦，該處水位明顯下降，導(dǎo)致浮床內(nèi)部水流紊亂。浮床不同排列方式下水面流場見圖11。旋渦的形成一定程度上會對浮床產(chǎn)生破壞，但是有利于污染物的擴散、分解，在實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮。

3 結(jié) 語

結(jié)合室內(nèi)水槽試驗結(jié)果，利用兩層式的固定多孔介質(zhì)區(qū)域概化生態(tài)浮床，通過構(gòu)建生態(tài)浮床不同排列方式的水槽三維水動力數(shù)學模型，模擬分析生態(tài)浮床串聯(lián)居中排列、無間距交錯排列對水動力特征的影響規(guī)律。

（1）相對無浮床工況，浮床無間距交錯排列的水面壅高均高于浮床串聯(lián)居中排列的。浮床串聯(lián)居中排列上游左、中、右水面壅高值相差不大，下游水面壅高值中線>左右側(cè);浮床無間距交錯排列上游水面壅高值左側(cè)>中線>右側(cè)，下游水面壅高值右側(cè)>中線>左側(cè)。

（2）上游段浮床交錯排列出現(xiàn)靠近底部水流流速增大，并且流速出現(xiàn)不對稱性，水流較為紊亂，部分地方形成旋渦。

（3）浮床交錯排列形成的旋渦及紊流有利于污染物擴散、分解，但是阻水作用明顯。若考慮對河道行洪排澇的影響，浮床串聯(lián)居中排列優(yōu)于無間距交錯排列。

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【責任編輯 呂艷梅】