不同直径植被群动床水流流速特性试验研究

李文奇1,王丹1,焦军丽1,史学伟1,任中阳2,杨克君1

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川　成都　610065；2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川　成都　610056)

【摘　要】　通过水槽试验研究了植被群直径对含沙水流结构的影响，分析了植被群直径与流速之间的关系，为河道演变及河道治理研究提供了理论依据。本文以刚性圆柱形竹签概化为非淹没植被群，设计4组不同植被群直径的动床试验。分析不同直径植被群水流垂线流速分布、垂线平均流速横纵向分布，发现随着植被群直径的增大，垂线流速逐渐呈现直线分布，垂线平均流速的最小值也会逐渐向下游移动，流速横向影响范围逐渐增大。研究结果表明植被群的直径是影响含沙水流结构的重要影响因素之一。本文可对河道治理、河道演变的研究提供依据，而且可为河流生态修复等生态问题提供一定参考意义。

【关键词】　植被群；直径；流速；横向分布；纵向分布

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51539007)；国家自然科学基金面上项目(51479128)；国家重点研发计划资助项目(2016YFC0402302)。

作者简介：李文奇(1994—　)，男，湖北黄冈人，硕士，主要从事水力学及河流动力学研究。

E-mail：zzczwxy_lwq@163.com

1　引言

在浅滩水生生态系统中植被是较为普遍存在的，它具有多种生态系统功能，如能够改善水质[1,2]，稳固河床[3,4]，促进生物多样性[5,6]等，同时，它也是河流生态系统的重要组成部分，是维持河流生态系统完整与健康的重要因素[7]。因此，研究植被群对河道水流结构的影响具有重要的学术与工程意义，国内外学者对此问题进行了较为深入的研究。

河道中的植被增加了河道水流结构的复杂性，在一定程度上阻碍了水流的流动，增加了水流的阻力，对植被周围的水流流速也产生了一定的影响。Dunn等[8]通过大量的水槽试验，研究了含植被的水槽模型在均匀流条件下的水流结构，确定了相应的阻力系数；Tanino和Nepf[9]对植被阻力系数的相关影响变量进行了研究，得出了相应的植被阻力系数计算公式。Finnigan[10]和Raupach[11]等发现植被群落的存在促进了水流能量和动量的交换。李志杰等[12]通过研究含植被群水流的流速和紊动能的分布，分析了植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程，发现当植被群直径不变时，植被群上游的水流调整长度与植被群的密度无关；Yang等[13]在复式河槽中分别选用塑料草、鸭毛、塑料吸管模拟野草、灌木、乔木进行水槽试验，分析了滩地植被复式河槽的水流流态，发现在滩地植被影响下，在三个区域水流流速是S形分布。一些学者也利用数学模型研究植被群对水流的影响问题，Sabokrouhiyeh等[14]建立了二维数学模型，分析了植被群落形状及植被群落的密度对湿地的植物群及河道变化过程，发现植被对河床冲刷的减弱作用仅在于静态植被群落的内部；Temmerman等[15]通过融合水动力模型、地形模型、植物生长模型来模拟植物群及河道变化过程，发现植被对河床冲刷的减弱作用仅在于静态植被群落的内部；Liu Chao等[16]通过植被化复式河槽的连续性方程和能量方程，建立了预测滩地植被复式河槽水位-流量曲线的数学模型。总之，植被对于水流的影响较大，不容忽视，充分研究植被对水流的影响机理十分必要。

虽然国内外学者对含植被水流流速的研究较多，但多为清水作用下的流速研究，且研究水流的垂线流速较多。本试验是在动床情况下研究水流流速，主要分析在相同植被群密度情况下，植被群直径对水流垂线流速的分布、垂线平均流速的横向分布和纵向分布的影响，进而分析植被群直径与含沙水流流速之间的关系。

2　试验概况

本试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室泥沙试验厅变坡活动水槽中进行，水槽长16m、宽0.3m、高0.4m，床面坡率为1‰，水槽尾部装有矩形平板闸门，调节开度以控制水面坡降，使试验水流为均匀流，接沙漏斗位于距水槽出口1.6m处。

试验开始前进行测试试验，选定本试验流量为18.01L/s，水深为13cm，床沙为均匀沙，床沙粒径为2mm，床沙厚度为11cm，并且进行边壁影响验证试验，试验结果表明在本次试验设计工况范围内，边壁对试验结果的影响可以忽略。试验所模拟的是非淹没刚性植被群，植被群选用直径d为0.4cm，长度为30cm的圆柱形竹签概化，植被群落直径D分别为4cm、6cm、8cm、10cm，单株植被均按照植被群密度a为0.25cm-1交错排列成圆形植被群落，植被置于有孔的PVC板中，且距槽首8m，布置图见图1(以D=60mm为例)。

为了研究不同直径植被群对水流流速特性的影响，本研究共进行了4组不同直径植被群落的水槽试验，试验工况汇总见表1。试验中，在植被群上游布置8个测量断面(x/D=-4～-1)，植被群下游布置20个测量断面(x/D=0.8～23)，每条测量垂线上布置8个测点(本试验ADV探头盲区约为5cm，故可探测范围为距床底0～8cm，即Hr最大值约为0.62)，在x/D=±1断面布置7条测线，测线距离中心线间距分别为±0.58D、±1.17D、±1.75D。试验采用多普勒三维流速仪(ADV)采集流速数据，采样频率为50Hz，每个测点采样时间为30s。

3　流速特性研究

对测量数据进行处理，得到每个测点的三维流速，本文仅分析沿水流方向(x方向)流速，对一条测线上每个测点的x方向流速沿水深进行积分，得出垂线平均流速，其计算公式为

(1)

式中：h为水深，cm；u为x方向流速，采用实测值，cm/s。

为便于分析比较，本文中所有速度及深度均为无量纲数值。

3.1　不同直径植被群水流垂线流速分布

由于植被群落对上游水流的影响甚微，基本可以忽略不计，故本文仅分析植被群下游附近的垂线流速，以x/D=1断面中心线垂线流速为例进行分析。由图2可以看到，受到植被群的影响，植被群末端的水流垂线流速分布并不严格服从指数分布，在植被群直径较小时，垂线流速分布比较接近指数分布，随着植被群直径的增大，垂线流速分布形态逐渐发展为一条垂线。由于水流横向方向平均流速几乎为0，故而本试验中仅分析沿水流方向流速特性。

根据图2不难发现，植被群直径是影响植被群下游水流垂线流速的因素之一。当植被群直径增大时，植被群落占据河宽的比例相应增大，水流受到植被的阻力增加，流速亏损加剧，因此各点流速随水深的增加其增幅并不明显，分布呈现出接近一条垂线的形态。

3.2　不同直径植被群水流垂线平均流速纵向分布

为了分析植被群直径对流速结构的影响，不同植被群直径工况的无量纲化中心线垂线平均流速纵向分布图见图3。从图中可以看出，虽然各工况中植被群直径不同，但其垂线平均流速纵向分布趋势是相同的，流速都是在植被群后骤然减小，在某个断面流速达到最小值，然后流速逐步增大最终趋于稳定。但是不难发现，各工况中流速最小值不同，且流速最小值所在断面位置也不同。随着植被群直径的增大各断面的流速都在减小，垂线平均流速纵向分布曲线的幅度也在增大，流速最小值在0.3～0.6U0范围内，其所在断面位置为(2.5～6.5)D，各工况流速的稳定值在(0.7～0.9)U0范围内。

由3.1节中的分析可知，当植被群直径增大时，由于植被的阻力增大导致水流的垂线流速减小，因而由垂线流速计算所得的垂线平均流速也是随植被群的增大而减小。垂线平均流速最小值的位置是由植被群和卡门涡街共同作用所影响的，植被群直径增大，其所占河宽比例增加，水流流速减小，而卡门涡街出现的频率与速度成正比，因此植被群直径增大后卡门涡街出现频率减小，在长度有限的水槽中表现出卡门涡街出现间距增大，这对于试验段内只出现一个卡门涡街的水槽来说，表现出卡门涡街的位置相对比较靠后。所以流速在植被群和卡门涡街的共同作用下，其最小值所在断面位置随植被群直径的增大而后移。

3.3　不同直径植被群水流垂线平均流速横向分布

为了便于统一比较分析，垂线平均流速横向分布仍选取x/D=1断面的数据进行研究，图4是不同直径植被群水流的垂线平均流速横向分布图。从图中可以看出，无论植被群占据河宽的比例大小，植被群末端的垂线平均流速横向分布都呈波谷状分布，植被群正后方的流速最小，并逐渐向两边增大。各工况中流速的大小不同，植被群直径越大流速越小，这一特点与前文在垂线流速分布图和垂线平均流速纵向分布图中得到的结果相一致。此外，植被群直径越大，波谷就越宽，即流速的横向变化范围越大，流速恢复的位置越接近边壁。

根据图4中的分布特点可以得到，植被群直径对流速的横向分布基本无影响，改变植被群的直径流速的横向分布形态并未发生显著变化，只会对流速的横向变化范围造成影响。因此，当植被群所占河宽比例增大时，虽然它对水流流速的横向变化趋势几乎没有影响，但水流流速受到的横向影响范围随之扩大。

4　结论

植被群的直径是影响水流结构的一个重要因素，通过分析研究不同直径植被群落含沙水流的流速分布，本文得到了以下结论：

(1)随着植被群直径的增大，垂线流速分布不再服从指数、对数和抛物线等常见分布形态，而是逐渐接近于一条垂线。

(2)植被群直径虽然不会对垂线平均流速的纵向分布形态造成影响，但是流速最小值的位置会随着植被群直径的增大而后移。

(3)植被群直径不是垂线平均流速横向分布的影响因素，只是随着植被群直径的增大，流速的横向影响范围也随之增加。

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Impact of Vegetation Patch Diameter to Flow Velocity Feature in Moveable Bed Channel with Emergent Vegetation Patch

LI Wenqi1,WANG Dan1,JIAO Junli1,SHI Xuewei1,REN Zhongyang2,YANG Kejun1

(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan Province　610065;2.Yalong River Hydropower Development Company,LTD,Chengdu Sichuan Province　610056)

Abstract:Having studied the influence of vegetation patch diameter to sediment-laden flow structure by flume experiment,this paper also analyzed the relationship between the patch diameter and velocity.The study can provide theoretical basis for the research of fluvial process and river regulation.This test used rigid bamboo circular cylinders as the emergent natural vegetation,4 groups of different patch diameters tests were carried out.By analyzed the depth velocity distribution,depth-averaged velocity lateral and longitudinal distribution,it could be found that the depth velocity showed the distribution of aligning,the place of minimum depth-average velocity would move to downstream and the transverse influenced range of velocity would be increased.The results showed that the diameter of vegetation patch was one of the important factors in silt-laden flow structure.The study can provide theoretical basis for the research of fluvial process and river regulation and some reference significance for river ecological restoration.

Key words:Vegetation Patch;Diameter;Velocity;Lateral Distribution;Longitudinal Distribution