水生植被类型及淹没度对河道垂线流速分布影响试验研究

吴国英, 张文皎, 石家豪, 武彩萍

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中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 26-30.
水环境与水生态

水生植被类型及淹没度对河道垂线流速分布影响试验研究

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Experimental Research on the Effects of Type and Submergence Degree of Aquatic Vegetation on the Vertical Flow Velocity Distributions of Rivers

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摘要

采用钢筋刚性材料和弹簧柔性材料模拟了不同类型的水生植被,通过概化水槽物理试验研究了水生植被类型、水生植被淹没度对水生植被对于河流流速垂线分布的影响规律。试验结果表明:不同淹没度条件下刚性植被和柔性植被对河流流速垂线分布影响规律相似性较高,流速垂线分布均展现出分层现象;但不同水生植被材质条件流速垂线分布的分层节点不同,这是由不同材质的水生植被与水流间力学作用机制不同导致的。

Abstract

The rigid steel and flexible spring materials are used to model different types of aquatic vegetation. The effects of type and submergence of aquatic vegetation on the vertical flow velocity distributions of rivers are explored by using physical experiments. The results of physical experiments show that the vertical flow velocity distribution of rigid materials under different submergence degrees exhibits a similar trend as that of flexible ones. The vertical flow velocity distributions of both the rigid and flexible materials exhibit stratification phenomena. The critical values of the stratification phenomena for the different types of aquatic vegetation are different. This is due to the different mechanical interaction mechanisms between the aquatic vegetation and the water flow for the different types of aquatic vegetation.

关键词

水生植被 / 淹没度 / 河流流速 / 垂线分布 / 刚柔性材质

Key words

aquatic vegetation / submergence degree / river flow velocity / vertical distributions / rigid and flexible materials

基金

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(HKY-JBYW-2017-15)
国家自然科学基金项目(51709124)
十三五国家重点研发计划项目(2017YFC0405204)

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吴国英 , 张文皎 , 石家豪 , 武彩萍. 水生植被类型及淹没度对河道垂线流速分布影响试验研究[J].中国农村水利水电, 2021(3): 26-30
Guo-ying WU , Wen-jiao ZHANG , Jia-hao SHI , Cai-ping WU. Experimental Research on the Effects of Type and Submergence Degree of Aquatic Vegetation on the Vertical Flow Velocity Distributions of Rivers[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 26-30

0 引 言

天然河道或水渠中不可避免地存在一些水生植被。这些植被有些是河道天然养成的,构成了整个河道生态系统的一部分。有些则属于人工种植形成的“植物柔性坝”,用以拦蓄一定水量,从而达到固滩固岸等效果。水生植被由于自身及养成条件不同,致使其材质刚性不同。从河道行洪的角度来看,水生植物会影响河流断面流量大小,减缓河道流速,壅高水位,甚至产生新的河障问题。因此,研究水生植物材质及淹没度对河道流速垂线分布的影响,对于河道行洪安全评价具有重要的意义。

1 研究现状

目前,针对不同类型水生植被对河流水力学要素的影响,国内外已有不同程度的研究成果。芦振爱等1通过物理试验研究了梯形生态渠道中植被高度对水位的壅高效果的影响,发现了植被高度将改变水流垂线分布的对数形式。时钟等2-4利用室内水槽试验探讨了海岸盐沼地段下植被类型对河流平均流速分布、水流流速剖面的影响,揭示了植被对水流的力学作用机制。张鸿敏等5基于野外水流试验,研究了不同坡度条件下“沙棘植物柔性坝”对水流流速和水深的影响,明确了柔性坝坝长和植物种植密度是影响“沙棘植物柔性坝”阻水效应的主要因素。赵连权等6通过物理试验发现了水生植被密度越大,水流紊动性越大,但不同水生植被材质条件下,植被密度对水流紊动性的影响程度不同。宋为威等7通过物理试验和大涡模拟技术,发现了植被增加了河道糙率,对泄洪不利,植物在河道中顶部紊动强度和剪切力最大。
在国外研究方面,Li等8针对树木、芦苇等高大型植被对河流的影响,以刚性材料进行模拟做出了研究。Gao等9进行了液气两相混合流试验,总结了单根刚性圆柱状物体拖曳力系数经验公式。Wang等10利用水槽物理试验,得到了考虑刚性沉水植物矩形排列条件、水流条件和植被密度的平均拖曳力系数计算公式。Huai等11基于含浮水刚性植物水流试验数据,提出了四区划分的理论学说,即无植物下层(流速对数增大)、无植物上层(流速减小)、植物内层(流速线性减小)和植物外层(流速梯度几乎为零)。
本文在实验室中以刚性和柔性材料模拟不同类型的沉水、挺水和浮水类植物,通过单独控制不同淹没度、植被密度和植被特性的方法研究不同要素对于河流的流速垂线分布的不同影响。以流速垂线分布建立不同分区,分别改变各研究要素,从而体现各分区下所受不同要素的影响,建立不同分区下的流速分布公式,得出各种元素影响下不同分区的影响结果并加以分析讨论。

2 试验设计与结果分析

2.1 试验装置设计

本试验采用黄河水利委员会黄河水利科学研究院模型黄河试验基地中60.0 m长,0.6 m宽,1.0 m高的循环可变坡(变坡最大范围3%)钢化玻璃循环水槽。前端进水前池部分采用电脑可控系统对流量和含沙量等进行控制,最大可控范围分别为:流量140 L/s、含沙量500 kg/m³。水槽前端设有搅拌池和进水前池。
试验选取整体长度12.0 m模拟范围作为水生植被试验段,并在植被试验段均匀设置5个水流流速测点。以2.0 m和6.0 m两断面之间水流流体作为垂向上、下层水流剪切力(T 1T 2)和前、后断面动水压力(P 1P 2)研究对象。采用长度不同的乳胶管包裹钢筋棒和软性弹簧作为刚性和柔性材料,分别模拟水生刚性植被和柔性植被。采用梅花型交错布置以达到较为均匀的水流拦蓄效果。试验所模拟的原型河流流速范围为0.5~2.5 m/s,换算后得到实际模型流速约为0.1~0.5 m/s,水深约为0.08~0.4 m。试验水槽布置如图1所示。
图1 试验水槽布置示意图(单位:m)

Fig.1 Sink layout design

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本试验以开敞水槽形式布置,试验流量及水位采用北京尚水公司研制的流量水位自动控制系统控制,该系统通过自动水位仪不断获取数据反馈给计算机,由计算机对比目标水位后,再控制交流电机正转或反转带动蜗杆、蜗轮转动并拖动水槽上下游支撑端铅直升降,实现水槽底坡的自动调节。通过标定实验获取水槽底坡变化量、水槽初始底坡及水面坡度之间关系,并将水槽底坡变化量转换成交流电机旋转角度,从而实现水位仪自动获取数据指示交流电机转动调节水槽底坡进而生成均匀流。电脑控制下水流恒定均匀,故水流形式为明渠均匀流。流速测量使用南京水利科学研究院研发的旋桨式流速仪,模拟植被尺寸测量使用游标卡尺测量,精度为0.2 mm。

2.2 试验参数与组次设计

试验中涉及的各项基本参数按照以下公式及表格计算取用。
淹没度H* 定义:
H*=H/hv
式中:H为水深;hv 为植被被淹没的深度。
断面平均流速v定义:
v=1nR23J12
式中:R表示水力半径;J表示水面坡降;n表示糙率。
摩阻流速u* 定义:
u*=g R J
式中:g为重力加速度。
10 cm×10 cm密度下刚性植被和柔性植被试验工况如表12所示。
表1 10 cm×10 cm密度下刚性植被各水力参数(坡度:0.000 7)

Tab.1 Hydraulic parameters for 10 cm × 10 cm the rigid vegetation layout

组别

流量/

(L·s-1)

水深/

m

淹没度 雷诺数 弗劳德数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

5.3

6.3

7.5

8.8

10.2

12.0

13.5

17.0

22.0

29.0

35.0

51.0

64.0

81.0

110.0

0.080

0.088

0.096

0.104

0.112

0.120

0.128

0.144

0.160

0.184

0.200

0.240

0.280

0.320

0.400

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.8

2.0

2.3

2.5

3.0

3.5

4.0

5.0

6 905

8 038

9 376

10 783

12 256

14 144

15 615

18 955

23 676

29 662

34 653

46 755

54 626

64 676

77 793

0.124 7

0.128 5

0.134 2

0.139 7

0.144 9

0.153 7

0.156 9

0.165 6

0.183 0

0.195 6

0.208 3

0.230 9

0.230 0

0.238 2

0.231 5

表2 10 cm×10 cm密度下柔性植被各水力参数(坡度:0.000 7)

Tab.2 Hydraulic parameters of flexible vegetation 10 cm×10 cm

组别

流量/

(L·s-1)

水深/

m

淹没度 雷诺数 弗劳德数

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

5.7

6.7

8.3

9.8

11.2

12.8

14.8

17.9

22.8

30.0

36.0

50.0

63.0

76.0

106.0

0.080

0.088

0.096

0.104

0.112

0.120

0.128

0.144

0.160

0.184

0.200

0.240

0.280

0.320

0.400

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.8

2.0

2.3

2.5

3.0

3.5

4.0

5.0

7 426

8 549

10 376

12 009

13 458

15 087

17 119

19 958

24 537

30 685

35 644

45 838

53 773

60 683

74 965

0.134 1

0.136 6

0.148 6

0.155 6

0.159 1

0.163 9

0.172 1

0.174 4

0.189 7

0.202 4

0.214 3

0.226 4

0.226 4

0.223 5

0.223 1

2.3 试验结果分析

(1)刚性植被试验。按照植被高度hv 为8.0 cm,密度为92 株/m2(间距10 cm×10 cm布置),淹没度为1.0~5.0的试验条件,得到15种工况下的流速分布图,如图2~图6所示。
图2 无植被与刚性植被1.0淹没度下的垂线流速分布图

Fig.2 Distribution of vertical flow velocity at 1.0 submergence without vegetation and rigid vegetation

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图3 刚性植被1.1、1.2、1.3淹没度下的垂线流速分布图

Fig.3 Distribution of vertical flow velocity at 1.1, 1.2 and 1.3 submergence of rigid vegetation

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图4 刚性植被1.4、1.5、1.6、1.8淹没度下的垂线流速分布图

Fig.4 Distribution of vertical flow velocity at 1.4, 1.5, 1.6 and 1.8 submergence of rigid vegetation

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图5 刚性植被2.0、2.3、2.5、3.0淹没度下的垂线流速分布图

Fig.5 Distribution of vertical flow velocity at 2.0, 2.3, 2.5 and 3.0 submergence of rigid vegetation

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图6 刚性植被3.5、4.0、5.0淹没度下的垂线流速分布图

Fig.6 Distribution of vertical flow velocity at 3.5, 4.0 and 5.0 submergence of rigid vegetation

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图2可知,当植被存在且H* 为1.0时,流速沿垂线变化梯度很小,剪切力T 1T 2间可忽略不计,动水压力P 1P 2可以互相抵消,因此影响流速垂线分布的仅有植被阻力FD 和重力分量。
根据图3图4可以看出,当淹没度H* 不断增大时,水槽底部区域内的水流分布依旧较为均匀,而到了0.8 hv 以上区域流速明显增大;当H* 为1.4~1.6时,底部区域流速缓慢增大,顶部区域流速明显增大,水流流速整体分布呈现两个区域特征。当 H* ≥2.0时,开始呈现出3个区域特征,即图5图6中由0.8 hv 和1.5 hv 分割形成的上中下3个区域,底部区域流速依旧缓慢增大,顶部区域流速增速相对较大,中间区域呈现出最快增速特征。
根据刚性植被试验结果可知,水流垂线流速分布可分为3个区域,即h<0.8 hv 的底部区域、0.8 hvh≤1.5 hv 的中间区域和h≥1.5 hv 的顶部区域。在底部区域内,水流受到植被绕流阻力的影响,水流流速未出现过大的变化幅度,整体分布较为均匀;在顶部区域内,由于层流间所受到的阻力差异过大,流速改变增量变化较大,流速增长速度相对较大;在中间区域内,在动水压力、植被切应力和重力沿水流流向分力共同作用下,该区域内流速增幅相对其他两个区域最大,流速增长速度也最为迅速。
(2)柔性植被试验。柔性植被试验中植被高度、布设密度和淹没度范围设置与刚性植被工况一致。15种工况下的流速分布如图7~11所示。由图7可知,垂线流速分布较为稳定,且在试验过程中观察到植被并未出现“摆动”现象。可以推断出柔性植被与刚性植被具有相似的力学特征。图8可以看出,H* 为1.1~1.3时,当h<0.6 hv 时,水流流速分布较为均匀;当hhv 时,水流流速快速增大。同理,当H* 增大至1.8时表现出相似的特征。当H* ≥2.0时出现较为明显3层情况。试验过程中可以观察到柔性植被出现抖动和摇摆现象,这说明柔性植被与水流之间存在互馈效应,即不仅柔性植被影响了水流垂线流速分布,同时水流也使柔性植被产生了不同程度的形变。
图7 柔性植被1.0淹没度下的垂线流速分布图

Fig.7 Distribution of vertical flow velocity at 1.0 submergence of flexible vegetation

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图8 柔性植被1.1、1.2、1.3淹没度下的垂线流速分布图

Fig.8 Distribution of vertical flow velocity at 1.1, 1.2 and 1.3 submergence of flexible vegetation

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图9 柔性植被1.4、1.5、1.6、1.8淹没度下的垂线流速分布图

Fig.9 Distribution of vertical flow velocity at 1.4, 1.5, 1.6 and 1.8 submergence of flexible vegetation

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图10 柔性植被2.0、2.3、2.5、3.0淹没度下的垂线流速分布图

Fig.10 Distribution of vertical flow velocity at 2.0, 2.3, 2.5 and 3.0 submergence of flexible vegetation

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图11 柔性植被3.5、4.0、5.0淹没度下的垂线流速分布图

Fig.11 Distribution of vertical flow velocity at 3.5, 4.0 and 5.0 submergence of flexible vegetation

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对于柔性植被试验结果,水流垂线流速分布也可分为3个区域,但区域分层临界值不同,即h<0.6 hv 的底部区域、0.6 hvh≤1.5 hv 的中间区域和h≥1.5 hv 的顶部区域。当h<0.6 hv 时,在动水压力、切应力、植被绕流阻力和重力沿流向上分力的共同作用下,该区域内水流达到平衡状态,从而使得该区间水流流速未出现明显波动。当淹没度H* 继续增大,淹没植被的顶部区域水流状态更为复杂,从整体来看该区域内流速变化幅度较大。直到H* 增大至3.5以上,植被顶部区域内水流变幅较小,水面处流速几乎趋近于某一定值。可以看出,相比于刚性植被,柔性植被使得顶部区域的流速更早趋于稳定。

3 结 论

(1)河流中水生植被会直接影响水流流速垂线分布,但水流同样也会反过来影响水生植被的运动形态。从流速分布的总体趋势上来看,不论河流受到刚性植被还是柔性植被影响,水流垂线分布下整体的流速分布和变化趋势存在较大相似性。但较刚性植被而言,水流会更多地受到来自柔性植被随机性摇摆、弯曲、倒伏的影响,从而出现更多的变化随机性和波动性。
(2)通过水槽物理试验研究了刚性和柔性植被对河流流速垂线分布的影响规律,在以往试验方法和流层分区理论的基础上,进一步将现有两分区法细化为三分区法。刚性植被水流垂向流速可分为h<0.8 hv 的底部区域、0.8 hvh≤1.5 hv 的中间区域和h≥1.5 hv 的顶部区域,柔性植被水流垂向流速区域分层临界值为h<0.6 hv 的底部区域、0.6 hvh≤1.5 hv 的中间区域和h≥1.5 hv 的顶部区域。
(3)因实际河流中水生植被类型及分布形式等较为复杂,存在较大的随机性与不确定性,本次研究采用的是概化模型试验,仅考虑了植被的柔韧度类型和淹没度对垂向流速分布的影响,在今后的研究中还应进一步考虑植被枝叶等影响因素。

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