水生植被生長特征對渠道水動力學影響研究

姚 剛

（費縣許家崖水庫管理中心，山東 臨沂 273400）

輸水渠道是灌區(qū)實現(xiàn)水利調(diào)度、水資源供需關(guān)系匹配的重要載體[1，2]，渠道運營可靠性不僅與其襯砌結(jié)構(gòu)[3]、運營工況[4]密切相關(guān)，而且其安全受渠內(nèi)水生態(tài)、水力特征等影響。孫夫建[5]、趙萬勇等[6]為研究輸水渠道內(nèi)滲流場分布特征，采用了Fluent 模擬計算方法，并在實際工程案例的基礎(chǔ)上，分析了渠道內(nèi)過流流態(tài)、動水勢能以及水位演變特征，探討造成渠內(nèi)非穩(wěn)定滲流的影響因素。輸水渠道中常見有水生植被、微生物等，這些構(gòu)成了渠道水生態(tài)體系。微生物的分布特征會影響渠內(nèi)滲流場變化。張強[7]、王傳濤等[8]通過模擬渠道微生物分布以及水生植被，探討了渠內(nèi)流速、水位等參數(shù)與之關(guān)聯(lián)性，從而為渠道整治、清淤提供參考。

1 工程概況

許家崖水庫位于山東省臨沂市費縣境內(nèi)，承擔著臨沂地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、防洪排澇等重要任務(wù)，對調(diào)節(jié)區(qū)域水生態(tài)、水環(huán)境及供水體系具有重要價值。許家崖水庫水系，如圖1 所示。水庫上游為溫涼河干流，年徑流量超過120 m3/s，控制河道流域面積為350 km2。水庫設(shè)計庫容2.93億m3，壩頂最高31.6 m，設(shè)計洪峰水位148.4 m，壩頂高程分布為145.5～151.6 m，寬度為7.5～8.5 m。監(jiān)測設(shè)備反饋數(shù)據(jù)表明，水庫心墻壩曲率、長度等設(shè)計方案在洪峰過境、日常泄洪調(diào)度工況中均具有良好表現(xiàn)，最大坡降維持在0.02 以下。作為水庫發(fā)揮灌溉、水資源調(diào)度的直接載體，許家崖水庫輸水工程目前在營干渠長度為48.5 km，支渠長度為56.8 km，年輸水量超過2 800 萬m3，是臨沂地區(qū)高橋、白彥農(nóng)業(yè)灌區(qū)主要供水水源地。水庫二期工程不僅需要擴建干、支渠，還需對已有灌渠進行清淤、防滲處理，以減少渠內(nèi)輸水耗散率，增大渠內(nèi)水力穩(wěn)定性。從灌渠工程運營現(xiàn)狀調(diào)研得知，目前大部分干渠內(nèi)水生植被分布較廣，輸水工況受此影響顯著，故應(yīng)探討水生植被分布對干渠水力特征的影響。

圖1 許家崖水庫水系

2 試驗設(shè)計

為探討水生植被特征對渠道輸水影響，設(shè)計采用渠道模型進行試驗，研究不同水生植被生長特征下渠內(nèi)水力參數(shù)的變化。所建立的梯形渠道水工模型，如圖2 所示。渠道內(nèi)設(shè)置有模擬微生物分布的粗糙面，所在渠道斷面與許家崖水庫輸水灌渠東干渠樁號K6+235—K6+320 處一致，幾何比尺為25，模型軸長為8 m，渠底坡度、渠坡土層特征與實際輸水灌渠一致，流量比尺設(shè)計為1 000[9]，下游設(shè)置有模擬水閘控水設(shè)施。模型試驗中，供水動力系統(tǒng)具有可循環(huán)回收特點，水位測試儀、流速監(jiān)測傳感器等均布設(shè)在相應(yīng)斷面上，每個監(jiān)測探頭布設(shè)點距離渠坡腳10 cm，流速探頭在渠底、中與頂層均有布設(shè)，試驗前所有測試設(shè)備均需進行標定調(diào)整，確保試驗中測試精度滿足要求。渠道斷面監(jiān)測點，如圖3 所示。各監(jiān)測點間距為0.5 m，共有16 個監(jiān)測斷面，試驗中所有數(shù)據(jù)均為實時傳輸、獨立驗證。

圖3 渠道斷面監(jiān)測點

渠內(nèi)水生植物生長特征包括植被生長間距、植被根徑等參數(shù)。從灌渠實際調(diào)查得知，主要水生植物為蒲草等，其根徑為0.1～0.2 mm，但植被分布間距在不同區(qū)段有很大差異，為10～40 mm。模型試驗中水生植被布置，如圖4 所示。試驗中假定植被橫向和縱向間距相等，分別設(shè)置有10、15、20、25、30、35、40 mm 共7 個方案，所采用的植物簇與渠道全斷面水生植物分布基本類似，植被形態(tài)、生長期均視為一致。

圖4 水生植被布置

水生植被生長特征會直接影響渠內(nèi)水體滲流變化，入渠流量會影響渠內(nèi)水力參數(shù)。試驗中，以上游控制閘門為流量閥，設(shè)計流量分別為6、8、10、12 L/s。基于不同入渠流量工況、不同水生植被分布特征方案下渠道輸水試驗，分析渠內(nèi)滲流場及水力參數(shù)影響變化。

3 入渠流量對渠內(nèi)水力特性的影響

基于不同入渠流量工況下渠內(nèi)斷面水位監(jiān)測，計算得到入渠流量與渠內(nèi)水位變化關(guān)系，如圖5 所示。從圖5可以看出，同一種植被生長間距方案下，即使入渠流量各異，但渠內(nèi)水位變化特征相似，在水生植被生長間距為20 mm時，各工況均呈“先減后穩(wěn)定”變化，穩(wěn)定斷面起始于4 m；而在水生植被生長間距為35 mm時，各工況均呈“先增后減”變化，峰值水位斷面位于3.5 m。對比圖5（a）和（b）可知，入渠流量改變不會影響渠內(nèi)水位變化特征[10]，而植被生長間距不同則會改變渠內(nèi)水位變化趨勢。

圖5 不同入渠流量下渠內(nèi)斷面水位特征

對比入渠流量與渠內(nèi)水位高度關(guān)系發(fā)現(xiàn)，當入渠流量增大，則水位愈高，但流量為10 L/s工況后，渠內(nèi)水位整體增幅變小。當植被生長間距為20 mm 時，在入渠流量為6 L/s 工況下，其最低水位為13.5 cm，全斷面上平均水位為14.9 cm，而在入渠流量為8、12 L/s 工況下最低水位較之前者分別提高了8%、42.1%，平均水位分別達16.1、21.1 cm，總體上流量每增大2 L/s，則其斷面平均水位可提高2.1 cm，增幅為12.6%。當植被生長間距為35 mm時，在入渠流量為6～12 L/s工況下，峰值水位分布為19.9～31.3 cm，流量每梯次變化2 L/s，則峰值水位平均增幅16.8%，4 種流量工況下，全斷面平均水位較之植被生長間距為20 mm 時的差幅為33.6%～72%，分布為19.9～31.3 cm。由監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，入渠流量不會影響渠內(nèi)水位變化趨勢，但會影響渠內(nèi)水位高度，且其影響效應(yīng)在入渠流量為10 L/s后減弱。

4 植被生長特征對渠內(nèi)水力參數(shù)的影響

4.1 水位變化

植被生長特征會改變局部渠內(nèi)滲流場特征，從而影響渠內(nèi)水力特性。植被生長間距與渠內(nèi)水位變化特征，如圖6 所示。從圖6 可以看出，同一入渠流量工況下，不同植被生長間距方案的渠內(nèi)水位變化各有特點。以流量6 L/s 為例，該工況下植被生長間距為10～15 mm方案中，渠內(nèi)水位呈“穩(wěn)定—突增—突降—穩(wěn)定”變化，突增、突降段位于斷面4～6.5 m；在植被生長間距為20～30 mm方案中，渠內(nèi)水位呈“先降后穩(wěn)定”變化，在斷面0.5～4 m 具有水位降幅特點，之后水位長期處于穩(wěn)定狀態(tài)；在植被生長間距為35～40 mm 方案中，渠內(nèi)水位呈“先增后降”變化，峰值水位位于斷面3 m 處，水位具有增、減2 個區(qū)段。經(jīng)分析認為，植被生長間距差異情況下會在植被簇區(qū)域內(nèi)形成較多渦旋流[11，12]，改變水力梯度方向，進而對渠內(nèi)水位變化產(chǎn)生影響。

圖6 植被生長間距與渠內(nèi)水位變化特征

對比水位變化可知，植被生長分布間距愈大，則渠內(nèi)水位愈低。在流量為6 L/s 工況下，植被生長間距為10 mm 時渠內(nèi)峰值水位、平均水位分別為23.3、21.2 cm，而植被生長間距為25 mm 時渠內(nèi)峰值水位、平均水位分別為17.7、15.2 cm，整體上看，植被生長間距為10～40 mm方案中渠內(nèi)峰值水位分布為15.3～23.3 cm，隨間距梯次5 mm 變化，峰值水位平均下降5.3%，平均水位下降7.3%。在流量為12 L/s工況下，渠內(nèi)水位整體升高，且同一種間距方案下渠內(nèi)水位變化特征一致，該工況下植被生長間距為10～40 mm 時渠內(nèi)峰值水位分布為19.6～28.9 cm，受植被生長間距梯次變化影響，其峰值水位在不同植被生長間距方案間平均下降1.55 cm，降幅為8.6%。對比流量為6 L/s 工況，流量為12 L/s 工況下渠內(nèi)水位受植被生長間距影響更敏感。

4.2 流速變化

渠道模型試驗中，不僅可獲得渠內(nèi)水位變化，也可獲得渠道各斷面流速變化。植被生長間距與渠內(nèi)流速變化特征，如圖7所示。

圖7 植被生長間距與渠內(nèi)流速變化特征

從圖7 可以看出，同一入渠流量工況下，不同的植被生長間距方案，其斷面流速變化具有不同差異點，但總體上流速變化可分為2類：在植被生長間距為10～25 mm 時，流速變化呈“先增后減至穩(wěn)定”特征，峰值流速位于斷面3 m 處，流速增、減段集中于水生植被分布區(qū)；當植被生長間距為30～40 mm時，流速變化呈“全斷面穩(wěn)定”特征，從渠道斷面0.5～8 m 流速最大變幅僅為0.8%。流速的2種變化特點在流量為8、10 L/s 工況下均是如此。經(jīng)分析認為，植被生長特征對渠內(nèi)流速影響具有“門檻”效應(yīng)，當植被生長間距低于25 mm 時，其對水體動水勢能的擾動影響較顯著[13]，會在渠內(nèi)形成流速的增、減變化段，而植被生長間距較大時，水體的動水作用不受植被分布影響。

對比流速變化值可知，總體上流速與植被生長間距為正相關(guān)關(guān)系。在流量為8 L/s工況下，植被生長間距為10、20 mm 時峰值流速分別為0.28、0.32 m/s，間距每梯次變化5 mm，峰值流速平均提高0.015 9 m/s，增幅為5.1%。在流量為10 L/s 工況下，峰值流速為0.34～0.46 m/s，在植被生長間距為30、35、40 mm 的3 個方案中，流速穩(wěn)定于0.43、0.44、0.46 m/s；植被生長間距遞增5 mm，流速實質(zhì)上變幅較小，平均增幅為4.8%。對比之下，流量為10、8 L/s 工況下各植被生長間距方案中，峰值流速具有23.5%～24.8%的差幅，整體上植被生長間距對流速值影響效應(yīng)顯著弱于入渠流量作用。從渠道治理考慮，渠內(nèi)水生植被控制在低密度、低間距且簇集效應(yīng)可抵抗水體沖擊作用[14]，則渠內(nèi)輸水安全性較高。

5 結(jié)論

（1）入渠流量不會影響渠內(nèi)水位變化特征，但渠內(nèi)水位與入渠流量為正相關(guān)關(guān)系。植被生長間距為35 mm、流量為6～12 L/s工況下渠內(nèi)峰值水位分布為19.9～31.3 cm；隨流量梯次2 L/s變化，植被生長間距為20、35 mm 方案時，渠內(nèi)峰值水位增幅分別為12.6%、16.8%。

（2）改變植被生長間距，則渠內(nèi)水位變化各有差異，主要有“穩(wěn)定—突增—突降—穩(wěn)定”“先減后穩(wěn)定”“先增后減”3 種變化，對應(yīng)間距為10～15、20～30、35～40 mm，植被生長間距愈大，水位愈低。

（3）渠內(nèi)流速受植被生長間距影響分為“先增后減至穩(wěn)定”“全斷面穩(wěn)定”2 種變化特征，植被生長間距只有超過25 mm后，才會出現(xiàn)第二種流速變化特點。植被生長間距愈大，則流速愈高。流量8、10 L/s 工況下，植被生長間距梯次變化時，峰值流速分別平均增長5.1%、4.8%。