剛-柔、柔-剛性兩種格局下植被水流特性試驗研究

李露，石喜，李江濤

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

0 引言

近年來，隨著生態文明理念的不斷深入，水環境和水生態問題引起了廣泛的關注。生長在天然江河湖泊中的水生植物，能為生物提供食物和棲息地，可以抑制泥沙再懸浮并有效改善水質；而植物根系可固結土壤，防止河床被過度沖刷，從而減少水土流失。但水生植物的存在改變了水流流動結構，導致流速減小、水位抬高，從而引發泥沙淤積，嚴重時可影響行洪安全。因此研究植被水流的水動力特性具有重要的現實意義［1］。

基于此，國內外學者針對水生植被和水流的相互作用機理開展了深入研究［2］。Ricardo 等［3］研究了含植物明渠水流特征變量。Thokchom 等［4］通過水槽試驗利用聲學多普勒流速儀ADV 研究了半覆蓋植被的明渠水流特性。槐文信等［5］采用羽毛模擬柔性植被，研究了植被密度、淹沒度及流量對明渠水流流速場的影響。吳福生和姜樹海［6］針對柔性和剛性植被，采用ADV 對淹沒植被的紊流特性進行了研究。張英豪和賴錫軍［7］以苦草為對象，研究了植被水流雷諾應力、紊動能和時均流速的垂向分布特征。張凱［8］利用水槽試驗研究了剛、柔性模擬植被與河道水流特性的關系。景何仿等［9］利用玻璃棒代替挺水植物，研究了不同工況下含水生植物的水位變化和流速分布。樊新建等［10］采用塑料草模擬柔性淹沒植被，利用ADV對不同排列方式、不同淹沒度下植被的水流特性進行了試驗。Okamoto 和Nezu［11］使用PIV 技術對淹沒植被斑塊的紊流特性進行了測量。吳國英等［12］研究了柔性和剛性植被類型和淹沒度對流速垂線分布的影響。Shin 等［13］采用ADV 研究了淹沒度和植被密度對縱向流速和湍流剪切應力的影響。

可以看出，大多研究以單獨的剛性或柔性的植被研究為主，而天然河道植物種類多樣，形狀和組成格局復雜，含植物水流特性各有不同。為此，本文以木棒和塑料模型草分別模擬剛性和柔性植被，在多功能明渠變坡水槽中，開展剛-柔、柔-剛兩種植被格局下的水流特性試驗，探討流速分布、沿程水面變化及紊流強度，為植被水流的理論和河流生態修復提供參考。

1 試驗裝置與方法

試驗在蘭州交通大學多功能明渠變坡水槽中完成，水槽總長6、寬0.4、高0.3 m，底坡為0.3%。如圖1 所示，試驗系統由水泵、進水池、槽身段及回水水槽組成，水槽進水口安裝消能管群（直徑相同的PVC 硬細空心管構成）使來流平穩均勻，槽尾設有調節閘門，通過調節閘門開度可控制水位和流速。植被區距離水槽首端和尾端均為225 cm，為1.5（長）×0.4（寬）×0.1 m（高）的凹槽。試驗時，通過電磁流量計測量水流流量，水深采用精度為0.1 mm 的測針測量，采用微型多普勒流速儀測量定點的時均流速，測流準確度為0.01 cm/s，分辨率為0.001 m/s，采樣頻率為25 Hz，時間60 s，詳細情況可見相關文獻［14］。待水流穩定后，每個測點測量3次，用統計平均值法計算時均流速。

圖1 實驗系統布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system layout

選用剛性和柔性兩種不同的水生植被進行試驗，其中剛性植被采用直徑為6 mm 的圓木棒模擬，淹沒工況下植被高度13.8 cm；天然柔性植被選用塑料仿真草模擬，淹沒狀態下的平均高度為13.5 cm，外直徑約為5 mm，具有一定的柔性，圖2為模型植被。

圖2 柔性-剛性植被Fig.2 Flexible-rigid vegetation

水生植物采用剛-柔布置和柔-剛布置兩種格局，排列方式為梅花交錯形式。兩種格局下設置稠密和稀疏兩種種植密度，第一排植被均距離植被區入口62.5 mm 的位置。稠密排列時，采用單排5 株、雙排4 株的交錯布置，縱向和橫向株距分別為6.25、7.5 cm，共布置23排，植物密度為173 株/m2，如圖3（a）和（b）所示；稀疏排列時，采用單排4 株、雙排3 株的交錯布置，共布置15排，縱向和橫向株距均為10 cm，植物密度為88 株/m2，如圖3（c）和（d）所示。

假定沿水流方向（縱向）為x方向，與壁面垂直方向（橫向）為y方向，與槽底垂直的方向（垂向）為z方向。沿縱向x方向布設7 個觀測斷面（縱斷面），沿程距離的起始坐標定于距離水槽最前端175 cm處，終于425 cm，其中，斷面1 位于植被區入口上游25 cm處；植被區設5個測量斷面，即斷面2～6，斷面2距離植被區入口2.5 cm，斷面3、5 穿過植被空隙；植被布置沿斷面4 對稱，即斷面4 左邊為一種植被，右邊為另一種植被，因此斷面4也是體現植被格局的位置；斷面6位于植被區出口邊緣線上；斷面7 位于距植被區下游30 cm 處。由于植被沿水槽寬度對稱布置，沿橫向y方向布設3 個測點，3 個測點各距離右邊壁側2.5、12.5、20 cm 的位置（分別用y1、y2 和y3 表示），分別代表植被河道邊壁、邊壁與中心線之間，植被河道中心線。沿垂向z方向從水槽底部3 cm 為起點，每隔2.5 cm 為增量設置一個測點，總共有6個測點。測點的具體布置如圖3所示。

圖3 兩種格局下植被排列方式及測點示意圖（單位：mm）Fig.3 Schematic diagram of vegetation arrangement and measurement points in the two patterns

試驗采用4 種工況，如表1 所示，整個試驗的水溫為25 ℃，水流運動黏性系數為0.897×10-6m2/s，試驗中雷諾數Re的變化范圍均在6 880～21 118 之間，大于明渠臨界雷諾數500，故水流為紊流，弗勞德數Fr在0.1～0.47 之間變化，均小于1，故水流為緩流。

表1 試驗工況及水力參數Tab.1 Test conditions and hydraulic parameters

2 結果及分析

2.1 實測流速分析

2.1.1 縱向流速沿程分布

圖4 為剛-柔布置格局下不同測量斷面橫向測點y1、y2 和y3的時均流速沿縱向變化，選取每個測點垂向第6個點（位于植物頂端以上靠近自由水面區，距離渠底15.5 cm）進行分析。可以看出，兩種密度下縱向流速變化趨勢基本相似，在剛性植被區域，流速波動較為平緩，原因可能是處于淹沒狀態下的剛性植被，水流經過時每個植被處的擾流作用相當，植被上層水流的流速變化相似，因而流速波動平緩；在柔性植被區域，植被在水流作用下產生橫向和縱向的彎曲和擺動，影響植被上層區域使流速梯度增大，流速最大值基本出現在柔性區域末端。流出植被區域后，擺脫了植被的影響，流速有所減小。

圖4 剛-柔布置格局下不同斷面沿程流速分布圖Fig.4 Distribution of velocity along different sections under rigid-flexible layout

比較不同橫向測點的流速大小可以看出，在剛性區域，y2和y3 測點處的流速比y1 處的要大，這是由于靠近壁面，影響流速變化的因素除了植被外，還有壁面對水流的剪切作用，使流速減小；而在y2 和y3處，影響流速的主要因素為植被，測點基本靠近水面，剛性植被莖稈大小一樣，對植被頂端水流的擾動在不同位置處基本相當，因而y2 和y3 處的流速變化無明顯規律。在柔性植被區域，兩種密度下y3 處的流速基本處于最大，而y1 和y2 處的流速變化不明顯，這可能是由于柔性植被的來回擺動，從而影響到不同測點處流速梯度的變化。

圖5所示為柔-剛布置格局下不同測量斷面橫向測點y1、y2和y3時均流速的縱向變化，測點仍然為植物頂端以上靠近水面的垂向第6測點。可以看出，兩種密度下的縱向流速變化相似，在柔性區域，流速基本呈增大的趨勢，這是由于受柔性植被擺動的影響，流速最大值仍然出現在柔性區域的末端（斷面4）。之后，在剛性區域，流速有所下降，波動有所平緩。

圖5 柔-剛布置格局下不同斷面沿程流速分布圖Fig.5 Distribution of velocity along different sections under flexible-rigid layout

2.1.2 縱向流速的垂線分布特征

圖6 給出了剛-柔布置下測量斷面1、3、4、7 的縱向流速沿垂線分布，每個斷面上均取中心線y3 測點沿垂向結果，測點距離渠底分別為3、5.5、8、10.5、13 和15.5 cm。可以看出，不同斷面的垂線流速分布變化各不相同。斷面1 位于植被區外，基本呈“J”型分布，與無植被水流的分布一致，說明植物對水流的影響尚未波及到。斷面3 位于剛性植被區，在植被的影響下使流速分布與無植被時的不同，在植物帶以內受植物的阻擋，水流沿植被發生擾流，水流的受力狀態復雜，流速波動較小；而在植物帶頂端接近水面處的流速最大，比無植被影響時的還大，原因可能是，在植被的影響下，植物帶頂端水流的速度梯度較大，使流速保持較大值，比較兩種密度的流速分布發現，稠密布置下的流速波動比稀疏布置的波動要大，說明植被的影響作用明顯。斷面4 位于剛性與柔性植被的交界處，可見，斷面4 的流速分布受兩種植被的影響，基本呈“S”型，此時流速分布既受剛性植被的阻擋影響，又受柔性植被彎曲與擺動的影響，使流速變化較為復雜，在植物帶頂端處的流速仍然最大。斷面7 位于植物區下游30 cm處，流速分布基本呈“C”型，與無植被時的不同，說明斷面7 處的水流仍受植被的影響，表明植被水流對下游的影響范圍大于對上游的影響。

圖6 剛-柔布置格局下不同斷面的垂線流速分布Fig.6 Vertical velocity distribution of different sections under rigid-flexible layout

圖7 給出了柔-剛布置格局下測量斷面1、3、4、7 的縱向流速沿垂線分布，每個斷面上仍取中心線y3 測點沿垂向的結果。可以看出，斷面1 的流速分布仍然不受植被區的影響，呈“J”型分布；斷面3 位于柔性區域，與圖6（b）中相同斷面的剛性植被相比，柔性區域的流速波動較大，原因可能是，淹沒柔性植被在水流作用下容易發生彎曲、擺動，使植被水流擾動較大；而剛性植被在水流中基本固定不動，植被水流發生擾流時對水流的擾動較小。比較圖6（b）還可以發現，柔性植被的頂端流速也大于剛性植被的，這是由于同一處在淹沒下的兩種植被，柔性植被的彎曲、擺動使植物帶上層水流的流速梯度增大。斷面4 位于柔性植被和剛性植被交界處，受兩種植被的相互影響，流速分布基本呈“C”型，在植物帶頂端仍保持較大的流速。從斷面7的變化來看，流速分布仍然未擺脫植物區的影響。

圖7 柔-剛布置格局下不同斷面的垂線流速分布Fig.7 Vertical velocity distribution of different sections under flexible-rigid layout

2.2 沿程水位變化特征

圖8 所示為剛-柔和柔-剛兩種格局下的沿程水位變化，選取7個相同的測量斷面，其中斷面1、2、3、6和7與流速測量斷面相同，而斷面4 和斷面5 的坐標在兩種格局下均取300 cm 和337.5 cm 位置處。由圖可以看出，兩種格局下沿程水位的變化趨勢一致，而稠密布置時的沿程水位高于稀疏布置的，說明稠密布置時阻水較大，水位壅高。斷面1位于植被上游，受植被的影響較小，水位較低；斷面2 剛進入植被區，由于處在第一排植被的前端，水位受后面植被的影響有所增加，但增加幅度不大；斷面3位于植被內部，在植被的阻水影響下水位達到最大值，說明此處阻水最為嚴重；之后由于植被布置和排列方式不變，在每個位置處植被阻水的狀況相似，而在坡降的影響下水位逐漸下降；斷面7 位于植被區外，水位受植被的影響減小，基本恢復至無植被時的水位。

圖8 剛-柔、柔-剛性兩種格局沿程水位線Fig.8 Rigid-flexible and flexible-Rigid patterns along the water level

2.3 相對紊動強度的垂向分布

紊流紊動的強弱程度可采用相對紊動強度來表述，以脈動流速的均方根與相應時均流速的比值來反映，計算式為：

式中：I為相對紊動強度；u'為脈動流速；uˉ為斷面平均流速。

圖9給出了剛-柔和柔-剛兩種格局下相對紊流強度的垂線分布，選取斷面3 中心線位置的y3 測點進行分析，即剛-柔布置時測點為剛性植被，柔-剛布置時測點為柔性植被。可以看出，兩種格局下相對紊動強度的變化趨勢相似，在底部保持較低的紊動強度，說明底部位置對水流的擾動較小。從底部至水面相對紊動強度呈先增大后減小再增大的趨勢，在水面位置處最大。這是由于淹沒植被的高度離水面較近，在植被區，由于阻水影響對水流的擾動強烈，因此相對紊動強度變化幅度較大；而水面位于植物頂層區域，該區域受植物頂層流速梯度變化的影響、水面與空氣交界的影響，存在著較強的能量和動量交換，因此相對紊流強度最大。比較圖9（a）、（b）還可以發現，相同位置處，柔性植被的相對紊動強度比剛性植被的要大，這是由于柔性植被在水流作用下擺動，對附近水流的擾動強烈，因此相對紊動強度較大。

圖9 縱向相對紊流強度沿垂線的分布Fig.9 The distribution of longitudinal relative turbulence intensity along the vertical

3 結論

通過水槽試驗探討了剛-柔和柔-剛兩種植被布置格局下的水流特性，得出以下結論。

（1）比較兩種格局下的接近水面的流速沿程分布可以發現，剛性植被區流速波動平緩，而柔性區流速變化較大，最大值基本出現在柔性區末端。

（2）垂向流速分布表明，在植被區上游斷面垂向流速不受影響；而在植被區受植被影響，流速分布呈“S”型或“C”型，柔性植被的流速波動比剛性植被的要大；在下游處植被區仍受水流的影響。

（3）兩種格局下沿程水位的變化趨勢一致，在植被阻水影響下兩種植被內部水位壅高，之后在坡降作用下有所降低，在出植被區后基本恢復。

（4）兩種格局下相對紊動強度的垂向分布趨勢相似，從底部到水面紊動強度呈先增大后減小再增大的趨勢，在植物帶內變化幅度較大；在植物頂層區域相對紊動強度最大。