景何仿，張 凱，楊 程，董建強(qiáng)

(1.北方民族大學(xué)數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用研究所，寧夏 銀川 750021;2.北方民族大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

天然河流、湖泊、水庫(kù)中生長(zhǎng)有水生植被。水生植物對(duì)于泥沙輸運(yùn)、污染物的擴(kuò)散及輸移、生物養(yǎng)分的提取和交換、水體凈化、岸坡的穩(wěn)定性等都具有重要的作用或影響。由于河道中水生植被的存在，改變了河流的水流結(jié)構(gòu)，增大了水流的阻力，使河流的過(guò)流能力下降，處理不當(dāng)，往往會(huì)導(dǎo)致洪災(zāi)的出現(xiàn)。正因?yàn)槿绱耍拥乐械乃脖徊粌H在河道管理方面，而且在水環(huán)境、動(dòng)物生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的研究意義。

近年來(lái)學(xué)者們廣泛地關(guān)注含植物相關(guān)水力問(wèn)題的研究。渠庚等［1］研究了含植物明渠水流阻力特性變化規(guī)律，對(duì)不同植物的水流阻力分區(qū)進(jìn)行回歸分析，得到各植物的水流阻力經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式;吳龍華和楊校禮［2］利用水槽明渠圓柱擾流試驗(yàn)研究了挺水植被狀態(tài)對(duì)水流阻力影響，表明挺水植被相對(duì)剛度和阻力系數(shù)之間關(guān)系密切;Carollo等［3］針對(duì)不同植被密度、不同流量、不同床面坡降的水槽，利用二維聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)進(jìn)行了測(cè)量并分析比較;Wu and Yang［4］利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了淹沒(méi)狀態(tài)下彎曲剛性植被的水流特性;Folkard［5］在實(shí)驗(yàn)室水槽中對(duì)淹沒(méi)狀態(tài)下柔性有樹冠的水生植被之間的水流特性進(jìn)行了研究;Ricardo等［6］利用PIV測(cè)量了非均勻排列的淹沒(méi)狀態(tài)下的植被周圍水流特征變量并進(jìn)行了研究;近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬作為一種重要的方法在含植被河流數(shù)值模擬研究中開始應(yīng)用［7-8］。

本文利用LDV等高精度儀器設(shè)備，對(duì)具有挺水植被(用玻璃棒代替)的水流運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行系列試驗(yàn)，研究植被在不同排列方式下對(duì)水流特性的影響。

1 裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用水槽采用自循環(huán)、固定底坡，總長(zhǎng)20 m，由進(jìn)水塔、玻璃水槽和回水池三部分組成，其中，玻璃水槽為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)15 m，寬0.49 m，高0.5 m，底坡0.1%。玻璃水槽兩側(cè)邊壁為透明玻璃，用鋁合金條固定，底部為鋁合金板。水槽下部為儲(chǔ)水池。當(dāng)電源開啟時(shí)，水流通過(guò)壓力管道由儲(chǔ)水池輸送到進(jìn)水塔，然后進(jìn)入玻璃水槽，再進(jìn)入回水池，最后由回水池回到儲(chǔ)水池，以此順序不斷循環(huán)。

挺水植被用圓柱形玻璃棒代替。植被區(qū)長(zhǎng)490 mm，寬與水槽相同，距離水槽入口處9 m。在鋁合金板上鉆上直徑為分別為10、8、6 mm 3種不同規(guī)格的圓孔陣列，兩塊規(guī)格完全相同的打孔后的鋁合金板用4根高度相同的鋁柱固定，上下平行，呈長(zhǎng)方體形狀。

玻璃棒則按照不同的排列方式插入孔陣中，再將其置入水槽中。玻璃棒按4種方式進(jìn)行排列，分別為稀疏交錯(cuò)(工況1)、稠密交錯(cuò)(工況2)、稀疏并排(工況3)、稠密并排(工況4)。稀疏排列時(shí)相鄰兩玻璃棒的橫向和縱向距離均為82 mm，而稠密排列時(shí)該距離為41 mm，如圖1所示。

圖1 水槽中玻璃棒和實(shí)測(cè)點(diǎn)的位置

水槽中水位測(cè)量利用水位測(cè)針進(jìn)行，流量測(cè)量利用流量計(jì)進(jìn)行，并結(jié)合實(shí)測(cè)流速值和水槽有水部分?jǐn)嗝婷娣e進(jìn)行校正。流速測(cè)量利用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的三維LDV進(jìn)行。該儀器可測(cè)量三維流速，流速范圍為－300～700 m/s。由于是通過(guò)激光進(jìn)行非接觸式測(cè)量，精度很高，相對(duì)誤差小于1%。

1.2 LDV測(cè)量

由于LDV是利用激光束射到流體中的隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒上，來(lái)測(cè)量流體流速的，故實(shí)際上所測(cè)量的流速是隨流體運(yùn)動(dòng)的固體顆粒的流速。因此，對(duì)水質(zhì)有嚴(yán)格的要求，必須是清水，一般需要加入專用示蹤粒子。一般自來(lái)水本身含有一定固體微粒，無(wú)需再加入示蹤粒子。當(dāng)數(shù)據(jù)率很低時(shí)，需要另外加入示蹤粒子。

在測(cè)量時(shí)，激光束在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處需停留一段時(shí)間，所測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際上是這段時(shí)間所捕獲的所有粒子的平均值。停留時(shí)間可根據(jù)數(shù)據(jù)率而定，一般可取10～50 s，在實(shí)測(cè)時(shí)，取停留時(shí)間為20～30 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水位實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

水流流經(jīng)植被群時(shí)，由于植被的阻力，流速減小，在流量不變的情況下，植被群上游水位會(huì)出現(xiàn)壅高，而流過(guò)植被群后，流速增大，水位又出現(xiàn)回落。因此，在植被區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的水面坡降。本試驗(yàn)利用圓柱形玻璃棒代替植被，高50 mm，直徑6 mm。由于玻璃棒高度高于最高水位，因此可以用來(lái)模擬非淹沒(méi)挺水植被。在流量相同(0.054 m3/s)時(shí)，當(dāng)玻璃棒排列方式不同時(shí)，水位沿程分布有所不同，如圖2所示。

圖2 4種典型工況下植被區(qū)水位分布比較

從圖2可以看出，植被的不同排列方式對(duì)植被區(qū)水面壅高及水面坡降影響很大。一般來(lái)說(shuō)，稠密交錯(cuò)情形(工況2)不論水面壅高及水面坡降都最大，其次是稠密并排情形(工況4)，再次是稀疏交錯(cuò)情形(工況1)，最后是稀疏并排情形(工況3)。也就是說(shuō)，稠密排列比稀疏排列水面坡降要大，交錯(cuò)排列比并排情況下水面坡降要大。

通過(guò)比較不同直徑的玻璃棒水面壅高及水面坡降可以發(fā)現(xiàn)，在同一排列方式下，玻璃棒直徑越大，水面壅高及水面坡降越大。

2.2 流速實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

由于植被排列方式不同，不同工況下實(shí)測(cè)流場(chǎng)分布是不同的?，F(xiàn)給出4種典型工況下流場(chǎng)分布，如圖3所示。

圖3 植被區(qū)實(shí)測(cè)流場(chǎng)

實(shí)測(cè)是利用LDV逐點(diǎn)進(jìn)行的，在沿y方向(與壁面垂直的方向)一般在每個(gè)植被后面及相鄰兩個(gè)植被之間各布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，而沿z方向(與水面垂直的方向，即水深方向)一般每隔2 cm布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿x方向(水流方向)在每?jī)蓚€(gè)植被間隙布設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。圖3中的流場(chǎng)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)沿z方向進(jìn)行平均(水深平均)后得到的，且僅考慮了x和y方向的流速。因此，在不同工況下，由于植被數(shù)目不同，測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)也不相同，流場(chǎng)的稀疏程度不同。

從圖3可以看到，沿x方向的流速遠(yuǎn)大于y方向的流速，主流流向基本與水槽壁面平行。這主要是由于測(cè)點(diǎn)與玻璃棒較遠(yuǎn)，在玻璃棒附近的流場(chǎng)，情況并非如此。當(dāng)植被并排排列時(shí)(圖3中a和c)，流速大小沿y方向的差別較大。一般在植被后的測(cè)點(diǎn)上，由于植被的阻礙作用，流速較小;而在植被間隙處的測(cè)點(diǎn)上，流速較大。當(dāng)植被交錯(cuò)排列時(shí)(圖4b和d)，由于所有測(cè)點(diǎn)均在植被后(與前排植被的距離有所不同)，流速大小沿y方向的差別不大。

為了反映流速大小沿y方向的分布，就稠密并排和稠密交錯(cuò)兩種工況，在三個(gè)典型橫斷面上，將流速大小在同一個(gè)圖中展示出來(lái)，如圖4所示。這3個(gè)典型橫斷面分別設(shè)置在植被區(qū)靠近上游、中游和下游處?？梢园l(fā)現(xiàn)，流速大小沿橫斷面(y方向)呈“W”形交錯(cuò)分布。對(duì)于植被并排排列情形，最小流速和最大流速差別較大，流速分布不均勻程度較為劇烈;而對(duì)于植被交錯(cuò)排列情形，則最小流速和最大流速差別不大，流速分布較為均勻。

為了比較植被群對(duì)水流流速的影響，現(xiàn)將不同工況下植被區(qū)上、下游斷面平均流速進(jìn)行比較，如表1所示。用LDV及有關(guān)儀器對(duì)植被區(qū)水位、流速進(jìn)行了測(cè)量，并進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果在河流治理方面、生態(tài)修復(fù)、動(dòng)物生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。主要有以下一些結(jié)論:

表1 不同工況下植被上、下游斷面平均流速

圖4 植被區(qū)3個(gè)典型橫斷面流速分布

(1)排列方式相同(均為交錯(cuò)或并排)時(shí)，植被越稠密，水面坡降越大;交錯(cuò)排列方式比并排排列方式下水面坡降要大。

(2)植被區(qū)流速大小沿橫斷面呈鋸齒形分布。植被并排情形下，流速波動(dòng)幅度相對(duì)較大;植被交錯(cuò)情形下，流速波動(dòng)幅度相對(duì)較小。

(3)在植被區(qū)上游，由于水位壅高，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大，流速相對(duì)較小;在植被區(qū)下游，由于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e縮小，流速反而增大。

(4)在植被上游區(qū)，在植被直徑不變時(shí)，當(dāng)排列方式相同(均為交錯(cuò)或并排)時(shí)，稀疏情形比稠密情形斷面平均流速要大;當(dāng)植株數(shù)相同(均為稠密或稀疏)時(shí)，并排情形比交錯(cuò)情形斷面平均流速要大。

從表1可以看出，當(dāng)植被直徑不變時(shí)，在同一工況下，下游流速反而比上游流速大。這是因?yàn)橹脖粎^(qū)的阻流作用，使得植被區(qū)上游水位出現(xiàn)壅高，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e增大，流速減小;而當(dāng)水流流過(guò)植被區(qū)下游時(shí)，水面下降，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小，平均流速變大。此外還可以看出，不同工況下，植被區(qū)上游流速有所不同，但下游流速變化不太明顯。一般來(lái)說(shuō)，在植被上游區(qū)，在植被直徑不變時(shí)且排列方式相同(均為交錯(cuò)或并排)時(shí)，稀疏情形比稠密情形斷面平均流速要大;在植被直徑不變且植株數(shù)相同(均為稠密或稀疏)時(shí)，并排情形比交錯(cuò)情形斷面平均流速要大。

3 結(jié)論

本文利用三維LDV對(duì)含挺水植被的實(shí)驗(yàn)室水槽水流特性進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析比較。試驗(yàn)中，用玻璃棒代植被，并按玻璃棒的稠密程度和排列方式分4種典型工況，在同一流量下，

［1］渠庚，張小峰，陳棟，等．含柔性植物明渠水流阻力特性試驗(yàn)研究［J］．水利學(xué)報(bào)，2015，46(11):1344-1351．

［2］吳龍華，楊校禮．挺水植被狀態(tài)對(duì)水流阻力影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2015(4):418-424．

［3］CAROLLO F G．，F(xiàn)ERRO V，TERMINI D．Flow velocity measurements in vegetated Channels［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2002，128(7):664-673．

［4］WU L H， YANG X L．Factors influencing bending rigidity of submerged vegetation［J］．Journal of Hydrodynamics，2011，23(6):723-729．

［5］FOLKARD A M．Flow regimes in gaps within stands of flexible vegetation:laboratory flume simulations［J］．Environmental Fluid Mechanics，2011，11(3):289-306．

［6］RICARDO A M，F(xiàn)RANCA M J，F(xiàn)ERREIRA R M L．Turbulent flows within random arrays of rigid and emergent cylinders with varying distribution［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2016，142(9):1-6．

［7］羅晶，楊具瑞，譚毅源，等．濕地剛性植物對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響的三維數(shù)值模擬［J］．水電能源科學(xué)，2010，28(1):86-88．

［8］KIM H S， NABI M， KIMURA I， et al．Computational modeling of flow and morphodynamics through rigid-emergent vegetation［J］．Advances in Water Resources，2015，84(2):64-86．