生態(tài)浮床不同覆蓋率對(duì)河道水動(dòng)力特性影響研究

董 禎，周志華，李彥濤

（天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

生態(tài)修復(fù)工程作為景觀建設(shè)和水生態(tài)修復(fù)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于河道生態(tài)治理中。生態(tài)浮床作為典型工程之一，在發(fā)揮凈化污染、恢復(fù)生態(tài)、提升景觀作用的同時(shí)， 對(duì)城市河道泄洪排澇會(huì)造成影響。 目前，張凱等［1］用塑料草代替水生柔性植被進(jìn)行水槽系列試驗(yàn)， 研究柔性植被對(duì)水流的影響。 焦軍麗等［2］、李坤芳等［3］用均勻圓柱形竹簽、木棒、玻璃棒模擬非淹沒(méi)的剛性植被， 探討植被群落對(duì)水流紊動(dòng)能分布的影響。 袁夢(mèng)等［4］將生態(tài)浮床概化為單層式固定多孔介質(zhì)域，整個(gè)多孔介質(zhì)域具有同一孔隙率。大部分研究采用室內(nèi)水槽試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，以證明采用的方法行之有效。

生態(tài)浮床不同覆蓋率對(duì)河道影響的研究， 有些學(xué)者研究了其對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果， 如吳華莉等［5］研究銅錢(qián)草生態(tài)浮床15%、30%和45%覆蓋率對(duì)污水的凈化效果， 目前很少有人研究生態(tài)浮床不同覆蓋率對(duì)河道防洪的影響。

本文以水槽試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作參照， 構(gòu)建水槽三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，研究生態(tài)浮床的水動(dòng)力特性，探求生態(tài)浮床不同覆蓋率對(duì)水流的影響， 進(jìn)而為城市河道防洪及規(guī)劃管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水槽試驗(yàn)

試驗(yàn)水槽系統(tǒng)包括進(jìn)水管道、穩(wěn)水柵、水槽、可調(diào)節(jié)尾門(mén)、流速水位量測(cè)測(cè)架等。試驗(yàn)水槽全長(zhǎng)30m、寬2m、高0.9m，其中模擬試驗(yàn)段總長(zhǎng)12m，鋪設(shè)20cm厚的石子作為試驗(yàn)段床面。在試驗(yàn)段設(shè)置了5個(gè)流速測(cè)量斷面、11個(gè)水面線測(cè)量斷面，每組工況每個(gè)流速測(cè)量斷面分左、中、右3條測(cè)線，每條測(cè)線沿水深均勻布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)。 試驗(yàn)條件為：進(jìn)口流量0.32m3/s，即斷面平均流速為0.4m/s，出口控制斷面水深40 cm。流速測(cè)量采用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）。

水槽試驗(yàn)進(jìn)行了2種工況，即無(wú)浮床工況和浮床工況（橫向長(zhǎng)度1 m×縱向長(zhǎng)度4 m）。 其中將垂直于水流方向長(zhǎng)度看作橫向長(zhǎng)度，沿水流方向長(zhǎng)度看作縱向長(zhǎng)度。

1.2 水槽三維水動(dòng)力模型

1.2.1 三維水動(dòng)力模型基本控制方程

關(guān)于三維模型采用K-ε兩方程紊流模型，其張量表達(dá)形式如下所述：

水流連續(xù)方程：

式中 ui、uj為速度分量；uk為時(shí)均速度分量（m/s）；xi、xj為坐標(biāo)分量；t為時(shí)間（s）；ρ為密度（kg/m3）；μ為分子黏性系數(shù)； ρ 為修正壓力（Pa）；v為流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；vt為紊流黏性系數(shù)；K為紊動(dòng)動(dòng)能；ε為紊動(dòng)能耗散率；l為特征長(zhǎng)度；c1、c2、σk、CD、Cu為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

結(jié)合無(wú)浮床工況水槽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 調(diào)試水槽三維水動(dòng)力模型的粗糙度厚度、粗糙度常數(shù)等參數(shù)，將水面線、流速等計(jì)算成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)行三維水動(dòng)力模型的率定。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。 網(wǎng)格沿水流方向、水槽橫斷面方向、水槽垂直方向分別設(shè)置成X、Y、Z方向。

1.2.3 邊界條件

無(wú)浮床工況設(shè)置邊界條件如表1。

表1 無(wú)浮床工況邊界條件

1.2.4 參數(shù)及解算方法設(shè)置

采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε紊流模型，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)、紊流擴(kuò)散系數(shù)等插值格式均使用一階迎風(fēng)模式。 亞松弛系數(shù)均采用默認(rèn)系數(shù)。 計(jì)算經(jīng)過(guò)10000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為0.05 s。

1.2.5 率定結(jié)果

1.2.5.1 水面線

無(wú)浮床工況下，當(dāng)粗糙度厚度Ks=0.035，粗糙度常數(shù)Cs=0.8時(shí)， 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬水面線兩者最大差值為0.66mm。根據(jù)計(jì)算，水面線擬合的納什效率系數(shù)為0.97，擬合效果較好。

1.2.5.2 斷面流速分布

通過(guò)率定后，無(wú)浮床工況5個(gè)流速測(cè)量斷面中線各測(cè)點(diǎn)流速最大差值不超過(guò)0.063m/s，相對(duì)誤差除個(gè)別點(diǎn)外均處于5% 以下；數(shù)值模擬垂線流速分布情況合理。 綜上所述，無(wú)浮床工況流速擬合情況較好。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算工況介紹

為了研究生態(tài)浮床條件下水槽的水位、流速，分析生態(tài)浮床不同覆蓋率對(duì)水流的影響，擬定5個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算。

工況1：浮床1m×2m（橫向長(zhǎng)度×縱向長(zhǎng)度），浮床橫向長(zhǎng)度占水槽橫向長(zhǎng)度比例50%， 縱向長(zhǎng)度占水槽縱向長(zhǎng)度比例17.78%，浮床覆蓋率8.89%。

工況2：浮床1m×4m（橫向長(zhǎng)度×縱向長(zhǎng)度），浮床橫向長(zhǎng)度占水槽橫向長(zhǎng)度比例50%， 縱向長(zhǎng)度占水槽縱向長(zhǎng)度比例35.56%，浮床覆蓋率17.78%。

工況3：浮床1 m×8 m（橫向長(zhǎng)度×縱向長(zhǎng)度），浮床橫向長(zhǎng)度占水槽橫向長(zhǎng)度比例50%， 縱向長(zhǎng)度占水槽縱向長(zhǎng)度比例71.11%，浮床覆蓋率35.56%。

工況4：浮床2m×4m（橫向長(zhǎng)度×縱向長(zhǎng)度），浮床橫向長(zhǎng)度占水槽橫向長(zhǎng)度比例100%，縱向長(zhǎng)度占水槽縱向長(zhǎng)度比例35.56%，浮床覆蓋率35.56%。

工況5：浮床2m×8m（橫向長(zhǎng)度×縱向長(zhǎng)度），浮床橫向長(zhǎng)度占水槽橫向長(zhǎng)度比例100%，縱向長(zhǎng)度占水槽縱向長(zhǎng)度比例71.11%，浮床覆蓋率71.11%。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型分為浮床主體區(qū)、浮床根系區(qū)、非浮床區(qū)。如1m×4m生態(tài)浮床的根系長(zhǎng)10～15cm，可以概化浮床根系區(qū)X、Y、Z方向尺寸分別為4，1，0.1m，范圍為0.3～0.4m，位于初始水面以下；浮床主體區(qū)X、Y、Z方向尺寸分別為4，1，0.1m，范圍為0.4～0.5m，位于初始水面以上。

2.3 邊界及區(qū)域條件

浮床工況設(shè)置邊界條件如表2。

表2 浮床工況邊界條件

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 本文利用一種兩層式的固定多孔介質(zhì)域概化模擬生態(tài)浮床， 上部分的浮床主體是孔隙率較小、透水性較差的多孔介質(zhì)，下部分的植物根系是孔隙率較大、透水性較好的多孔介質(zhì)。

浮床根系部分的孔隙率取65%， 浮床主體部分由于存在種植植物的圓孔及浮床基質(zhì)， 假設(shè)其孔隙率為10%。 通過(guò)試算，確定浮床根系部分的黏性阻力系數(shù)和浮床主體部分的黏性阻力系數(shù)分別為7.2×107和2.5×108。

2.4 各工況結(jié)果對(duì)比分析

2.4.1 水面線

浮床不同縱向比例工況水面線（Y=1.0 m處）如圖1、圖2。

圖1 工況1（1m×2m）、工況2（1m×4m）和工況3（1m×8m）水面線

圖2 工況4（2m×4m）、工況5（2m×8m）水面線

浮床不同橫向比例工況水面線（Y=1.0 m處）如圖3、圖4。

圖3 工況2（1m×4m）、工況4（2m×4m）水面線

圖4 工況3（1m×8m）、工況5（2m×8m）水面線

浮床相同覆蓋率、 不同布置形式工況水面線如圖5。

圖5 工況3（1m×8m）、工況4（2m×4m）水面線

5種工況水面線峰值：

工況1（1m×2m）：41.22cm；

工況2（1m×4m）：41.26cm；

工況3（1m×8m）：41.44cm；

工況4（2m×4m）：43.18cm；

工況5（2m×8m）：44.38cm。

分析圖1～圖5和各工況水面線峰值可知：

（1）5種浮床工況的水面線總體趨勢(shì)相近， 均為浮床上游段水位較初始水位壅高， 在浮床前緣處水位達(dá)到峰值。進(jìn)入浮床段水位逐漸降低，在浮床尾部水位下降至谷值。進(jìn)入浮床下游段水位略有回升，接著逐步降低至控制斷面水位。

（2）對(duì)比圖1～圖2中水面線趨勢(shì)和水面線峰值可知，浮床橫向比例相同，縱向比例越大，水位壅高越大。 工況1（1m×2m）、工況2（1m×4m）和工況3（1m×8m）水位峰值差值均不足0.3cm，工況4（2m×4m）和工況5（2m×8m）的水位峰值差值為1.2cm。

（3）對(duì)比圖3、圖4中水面線趨勢(shì)和水面線峰值可知，浮床縱向比例相同，橫向比例越大，水位壅高越大。 工況2（1m×4m）和工況4（2m×4m）水位峰值差值為1.92cm。 對(duì)比工況3（1m×8m）和工況5（2m×8m）的水位分布圖和水面線峰值，水位峰值差值為2.94cm。

（4） 對(duì)比圖5中水面線趨勢(shì)和水面線峰值可知，工況2（1m×4m）和工況4（2m×4m）浮床占水槽的覆蓋率相同，均為35.56%，工況4（2m×4m）水面線峰值比工況3（1m×8m）高1.74cm。

（5）生態(tài)浮床覆蓋率越大，造成的水面線壅高越明顯。生態(tài)浮床覆蓋率相同，水面線壅高程度受浮床布置形式影響。 由（2）（3）（4）可知，相比浮床縱向比例，浮床橫向比例對(duì)水位的影響更明顯。

2.4.2 流速

各工況水流流場(chǎng)如圖6～圖10。

圖6 工況1（1m×2m）流場(chǎng)

圖7 工況2（1m×4m）流場(chǎng)

圖8 工況3（1m×8m）流場(chǎng)

圖9 工況4（2m×4m）流場(chǎng)

圖10 工況5（2m×8m）流場(chǎng)

分析各工況流場(chǎng)圖可知：

（1）工況1（1m×2m）、工況2（1m×4m）和工況3（1m×8m）的流場(chǎng)圖總體趨勢(shì)相近，水流遇浮床段均繞開(kāi)浮床流動(dòng)， 主要體現(xiàn)在浮床前緣與浮床尾部附近流動(dòng)方向改變，表面流速略有減小，浮床兩側(cè)表面流速有所增大。浮床段表面流速呈中部流動(dòng)，方向沿水流方向，兩側(cè)受浮床水流影響，呈向外擴(kuò)散趨勢(shì)。

（2）工況4（2m×4m）、工況5（2m×8m）中浮床阻截了整個(gè)橫斷面， 浮床上游段和浮床段表面流速明顯減小，進(jìn)入浮床下游段后逐漸恢復(fù)。水流在浮床前緣處和尾部附近流動(dòng)方向改變， 水流在浮床段沿水流方向流動(dòng)。

（3）5種工況中流場(chǎng)均沒(méi)有出現(xiàn)漩渦等水流極度紊亂的現(xiàn)象。

浮床上下游斷面流速變化情況： 將Y=0.5m處流速看作左線流速，Y=1.0m處流速看作中線流速，Y=1.5m處流速看作右線流速。 分析對(duì)比各工況上下游斷面左、中、右線流速，其中上游斷面取X=1.8m處，下游斷面工況1（1m×2m）取X=6.0m處，工況2（1m×4m）和工況4（2m×4m）取X=8.0m處，工況3（1m×8m）和工況5（2m×8m）取X=11.0m處。 斷面流速沿水深變化情況如圖11～圖14。

圖11 上游斷面左（右）線流速

圖12 上游斷面中線流速

圖13 下游斷面左（右）線流速

圖14 下游斷面中線流速

分析上述各工況流場(chǎng)圖和上下游斷面流速對(duì)比圖可知：

（1）橫剖面流速左右對(duì)稱分布。

（2）浮床工況上游斷面流速，距槽底距離0～0.2m范圍內(nèi)，流速較無(wú)浮床工況略有增大，左（右）線流速平均相對(duì)增幅8.6%、14.5%、28.6%、38.7%、36.9%（工況1～5）， 中線流速平均相對(duì)增幅24.0%、13.8%、8.5%、39.1%、37.4%。距槽底距離0.2～0.4m范圍內(nèi)，流速較無(wú)浮床工況減小，左（右）線流速平均相對(duì)減幅9.6%、10.3%、10.8%、49.6%、52.2%，中線流速平均相對(duì)減幅30.0%、30.9%、32.2%、50.8%、53.6%。

浮床工況下游斷面流速， 距槽底距離0～0.2m范圍內(nèi)，左（右）流速較無(wú)浮床工況略有增大，左（右）線流速相對(duì)增幅2.3%、8.0%、5.3%、3.3%、7.1%，工況1～3中線流速較無(wú)浮床工況略有減小， 相對(duì)減幅6.2%、4.7%、4.6%， 工況4、5中線流速較無(wú)浮床工況略有增大，相對(duì)增幅4.9%、10.2%。 距槽底距離0.2～0.4m范圍內(nèi)，流速較無(wú)浮床工況減小，左（右）線流速相對(duì)減幅6.7%、4.2%、3.0%、11.0%、17.4%，中線流速相對(duì)減幅23.2%、23.1%、30.0%、9.5%、15.0%。

綜上所述，浮床對(duì)水流流速的影響為：相比無(wú)浮床工況，在浮床上游，水面附近水流流速減小，水槽底部附近水流流速增大。進(jìn)入下游，水面附近水流流速減小且減幅較小， 各工況水槽底部附近水流流速增減幅度均較小。 受影響最大的是浮床上游水面附近中線流速，減幅50%左右。 浮床覆蓋率對(duì)流速的影響與浮床布置形式有關(guān)。浮床覆蓋率相同，浮床布置形式不同，則水面壅高程度和流速減幅不同。其中橫向比例對(duì)水位和流速的影響較大。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）生態(tài)浮床對(duì)水面線的影響在上游壅水，浮床前緣附近水位達(dá)到峰值，進(jìn)入下游水面降落。生態(tài)浮床對(duì)水流流速的影響在浮床上游， 水面附近水流流速減小，水槽底部附近水流流速增大。 進(jìn)入下游，水面附近水流流速減小且減幅較小， 各工況水槽底部附近水流流速增減幅度均較小。 受影響最大的是浮床上游水面附近中線流速，減幅50%左右。

（2）浮床覆蓋率越大，造成的水面壅高越明顯。浮床覆蓋率對(duì)水位和流速的影響與浮床布置形式有關(guān)。 浮床覆蓋率相同，浮床布置形式不同，水面壅高程度和流速減幅不同， 其中橫向比例對(duì)水位和流速的影響比縱向比例大。

（3）由于模型模擬的水槽遠(yuǎn)小于實(shí)際河道大小，受模型邊際效應(yīng)影響， 模擬結(jié)果將大于實(shí)際河道中生態(tài)浮床的影響。 此外，對(duì)于南方雨季浮床的影響，仍需進(jìn)一步研究。