淹沒植物明渠床面沖淤及其對水流運動的影響

趙汗青,唐洪武,閆 靜,戴會超,劉志武

(1. 中國長江三峽集團有限公司,北京 100038；2. 河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098；3. 長江保護與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098；4. 河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

水生植物廣泛分布于天然河道及城市景觀河流的灘槽區(qū),是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植物的存在改變了河道水流結構[1- 3],造成了獨特的泥沙運動規(guī)律和河床沖淤態(tài)勢[4],對河勢穩(wěn)定、防洪安全、潛流交換以及部分底棲生物的繁殖、生存均造成顯著影響。

植物作用會引起局部床面由沙波向沖坑形態(tài)的轉變[5]。龔政等[6]將水沙動力學模型與植被生長模型耦合進行數(shù)值模擬研究,結果表明植被直接影響潮灘水動力和地貌演變過程。van Katwijk等[7]研究植物群條件下的床沙級配時發(fā)現(xiàn),密集分布的植物條件抑制泥沙起動、促進懸沙落淤,造成床沙粒徑的細化；稀疏分布的植物條件則作用相反,造成床沙粒徑的粗化。Wang等[8]、呂升奇等[9]開展相關研究得到類似的結論,即泥沙的起動流速隨植物排列密度先減小、后增大,推移質(zhì)單寬輸沙率隨植物排列密度先增大、后減小。實際上,植物排列密度影響床沙級配和泥沙運動,其本質(zhì)原因在于不同植物密度改變了明渠紊流結構。

定義植物密度(λ)為單位床面面積對應的植物迎流面積。有研究表明:λ<0.04時,河道水流結構與無植物情況類似,屬于床面剪切紊流,植物的存在增加了床面阻力、促進水流紊動[10]；0.1<λ<1.44時,植物層頂部的Kelvin- Helmholtz不穩(wěn)定性誘發(fā)K- H渦的形成,流動為自由剪切混合層紊流,植物促進了上部植物層及植物層外部的水流紊動,并抑制下部植物層水流紊動[11]；0.04<λ<0.1時,流動兼具床面剪切紊流與自由剪切混合層紊流的部分特征[12],本文將其稱為“類二重紊流”。一般情況下,含植物河道的水流結構不同于無植物條件,相應的床面沖淤特征也存在很大區(qū)別。已有的研究側重于分析植物流條件下的水沙運動,忽略了對床面沖淤的研究,且并未建立紊流類型與泥沙運動或床面沖淤之間的聯(lián)系。

本文采用室內(nèi)水槽實驗,通過改變植物排列密度來產(chǎn)生不同類型的紊流,研究不同類型紊流下的床面沖淤特征,揭示植物密度的改變引起床面形態(tài)特征發(fā)生變化的機理,探究床面起伏對流動的反饋作用,能夠在一定程度上完善河流動力學理論,并為生態(tài)河道設計以及河流管理等工作提供理論指導。

1 實驗系統(tǒng)的建立

實驗在長12 m、寬0.6 m、深0.6 m的可變坡循環(huán)水槽中進行。水槽流量(Q)可控、沿程水深(H)可調(diào),以利于產(chǎn)生恒定均勻流。利用直徑dv、高度hv的圓棒模擬植物,并沿縱向(x向)、橫向(y向)分別按照Lx、Ly的間距均勻布置植物,形成8 m×0.6 m的植物群,對應植物排列密度λ=dvhv/(LxLy)。利用聲學多普勒流速儀(ADV)進行流動及床面形態(tài)測量。

床面條件包括平床和起伏(沖淤)床面2類。平床實驗的布置見文獻[12]，沖淤床面實驗的水槽及植物布置見圖1(a)。通過理論分析與預實驗比選,確定粒徑ds=0.38 mm的均勻沙為實驗沙。實驗步驟如下:① 在植物區(qū)鋪沙并反復刷平；② 根據(jù)設定的流量、水深條件進行實驗；③ 當植物區(qū)呈現(xiàn)規(guī)則的床面形態(tài)且沿程不變,植物區(qū)以外無明顯輸沙時,認為達到清水沖淤的相對穩(wěn)定狀態(tài),并定義此時的床面條件為“起伏床面”；④ 將流速降低至小于泥沙的起動流速,進行床面形態(tài)測量；⑤ 在不破壞床面形態(tài)的前提下,將流量、水深緩緩降至0,并通過噴灑水泥粉的方式固化床面；⑥ 恢復實驗流量、水深,進行流動測量。

測點布置見圖1(b)。測量斷面位于植物群起點的下游5 m處,沿斷面布置2條典型測線,測線1和測線2沿y方向位于相鄰兩列植物之間,前者的平面投影沿x方向與植物排重合,后者的平面投影沿x方向位于相鄰2排植物之間。根據(jù)Zhao等[12]的結論,可以將相同高度處的測量數(shù)據(jù)進行平均,以平均值代表流場的整體特性。

圖1 實驗布置示意[12](非等比例繪制)

本實驗共設置6組工況(表1),包括3種植物排列密度條件、2種床面條件,均保持Q=32.4 L/s、H=18 cm、hv=6 cm、dv=0.6 cm不變。植物密度條件包括稀疏、中等、密集,分別以字母S、M、D表示,分別對應床面剪切紊流、“類二重紊流”、自由剪切混合層紊流的流動類型[12]。床面條件包括平整和起伏,分別以字母E、F表示。本文通過字母組合進行工況命名,如“ME”表示中等植物密度的平床實驗。

表1 實驗工況列表

2 結果與分析

2.1 床面的沖淤特征

實驗開始以后,拍照記錄不同時刻的床面地形,定性描述其動態(tài)演變過程。當達到?jīng)_淤相對穩(wěn)定狀態(tài)之后,測量床面地形,定量分析不同類型紊流作用下的床面形態(tài)特征。

2.1.1 床面地形的動態(tài)演變

圖2展示SF工況(植物密度稀疏、床面起伏條件)的床面動態(tài)演變,表現(xiàn)為植物根部沖淤和沙波的綜合作用。植物根部的沖淤發(fā)展與墩柱沖刷類似:植物迎水面向下水流直接“射”向床面,造成一定范圍內(nèi)的局部沖刷；在向下水流的持續(xù)淘刷作用下,形成環(huán)繞植物的馬蹄形沖坑,并誘發(fā)產(chǎn)生相應的渦結構；馬蹄渦作用將沖坑內(nèi)泥沙帶出坑外,造成沖坑尺寸逐漸增大并趨于穩(wěn)定。該過程相對迅速,最終呈現(xiàn)漏斗型立面形態(tài),見圖2(b)的馬蹄渦作用區(qū)。

對任一植物而言,其左右兩側的尾渦脫落頻率、作用強度相當,在床面形成2條沿流向?qū)ΨQ分布的“沙溝”線；同時,兩側尾渦的作用方向相反[13],造成尾渦攜帶的泥沙在植物后方堆積并形成沿流向的“沙脊”線。沙溝、沙脊交錯分布,對應床面呈魚尾狀平面形態(tài)、棱錐狀剖面形態(tài),見圖2(b)的尾渦作用區(qū)。

圖2 SF工況的床面動態(tài)演變過程

沙波的發(fā)展過程可描述如下:① 實驗開始之后,泥沙在床面迅速聚集并形成諸多微微隆起的小丘。小丘沿垂向增高并沿橫向連接,形成順直沙波,見圖2(a)、圖2(b),與無植物明渠的情況類似。② 沙波波高持續(xù)增加并向下游移動,發(fā)生順直沙波向彎曲沙波的轉變,見圖2(c)、圖2(d)。③ 沙波形態(tài)持續(xù)變化,最終呈現(xiàn)舌狀平面形態(tài),見圖2(e)、圖2(f)。張向東[14]在類似的水動力、泥沙條件下進行無植物水槽實驗,得到順直微彎的沙波床面。由此對比可知,植物的存在是造成舌狀沙波的重要原因。分析認為,植物作用增加了局部水流阻力并阻礙沙波向下游移動。隨著床面位置沿橫向靠近植物,相應的阻礙作用愈發(fā)顯著,最終造成沙波的平面形態(tài)呈舌狀。

2.1.2 沖淤穩(wěn)定的床面形態(tài)

SF工況(λ=0.005 6,植物密度稀疏)的床面地形見圖3。在水槽中軸線附近Lx×Ly的床面范圍內(nèi)(即沿縱、橫向分布的相鄰4株植物之間),床面起伏落差3.9 cm,約等于102ds。其中,沙波長約15 cm、波峰高程1.2 cm、波谷高程-1.1 cm,波高2.3 cm。植物根部的床面同時受局部沖淤和沙波運動的影響,表現(xiàn)出明顯的空間變異性:圖3(c)中的I點處于植物迎水面沖刷區(qū)和沙波的波谷,床面高程z=-2.1 cm,對應沖刷最顯著的位置；Ⅱ點位于尾渦作用區(qū)和沙波的波峰,床面高程z=1.8 cm,對應淤積最顯著的位置；Ⅲ點位于植物后方馬蹄渦作用區(qū)和沙波的波峰,床面淤高z=0.8 cm。Ⅲ點的淤積現(xiàn)象說明,相比于迎水面向下水流和馬蹄渦引發(fā)的淘刷作用,床面剪切紊流引發(fā)的沙波作用主導局部床面的沖淤變化。

圖3 SF工況下沖淤穩(wěn)定時的床面地形

DF工況(λ=0.360 0,植物密度密集)的床面地形見圖4。由于自由剪切混合層紊流作用于植物層頂部一定范圍[12,15],此時的床面沖淤僅受植物根部水流運動的影響,相應的形態(tài)特征與含非淹沒植物明渠的情況類似[16],表現(xiàn)為馬蹄形沖坑與沙溝、沙脊交錯分布,見圖4(a)、圖4(b)。圖4(c)表明,沙溝、沙脊處的床面高程均大于0,即發(fā)生了床面淤積(見橢圓框區(qū)域)。最大沖深處對應床面高程z=-0.56 cm,最大淤高處對應z=0.24 cm,床面起伏0.8 cm,約等于21ds。

圖4 DF工況下沖淤穩(wěn)定時的的床面地形

MF工況(λ=0.045 0,植物密度中等)的床面地形兼具DF和SF工況下的部分特征,表現(xiàn)為馬蹄坑- 沙溝/沙脊- 沙波復合形態(tài),見圖5(a)、圖5(b)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù),沙脊高度沿流向先增大后減小,其頂點與沙波的波峰重合,且沙波的平面形態(tài)同樣呈舌狀,見圖5(c)紅線。在該工況下,任意相鄰2排植物之間有且僅有1條波峰線,說明沙波的平均波長約等于植物的縱向間距Lx=10 cm。最大沖深處對應床面高程z=-1 cm,最大淤高處對應z=1.2 cm,床面落差2.2 cm,約等于58ds。

圖5 MF工況下沖淤穩(wěn)定時的床面地形

從SF、MF到DF工況,植物排列密度λ逐漸增大,床面起伏逐漸減小。有研究認為泥沙的起動流速、輸沙率均隨λ呈折線型變化[8- 9],與本文結論存在一定的區(qū)別。作者分析發(fā)現(xiàn),文獻[8- 9]設定λ的取值范圍較窄,分別是0.072～0.24[8]、0.06～0.36[9],但不同植物密度的實驗工況較多；本文設定λ的取值范圍較寬,但實驗工況較少。進一步地,鑒于λ=0.1左右對應起動流速極小值和輸沙率極大值[8- 9],推斷在“類二重紊流”(0.04<λ<0.1)和自由剪切混合層紊流(0.1<λ<1.44)條件下,植物密度的增大將分別促進和抑制泥沙運動。

2.2 床面變形對流動的影響

2.2.1 床面剪切紊流

床面剪切紊流條件下(λ=0.005 6),流動特性參量沿水深分布見圖6。實驗條件對應寬深比B/H=3.33,水槽邊壁對流動的影響較為明顯,SE工況的最大流速發(fā)生于z=0.72H處(z=131 mm),與前人結論大致吻合[18],見圖6(a)虛線。SF的地形沖淤顯著,增加了床面阻力并相對減弱了邊壁作用,造成最大流速的發(fā)生位置向水面移動并加劇流速沿垂向不均勻分布,見圖6(a)。地形沖淤增大了粗糙次層的厚度[14],對應最大雷諾應力的發(fā)生位置上移,并促進水流動量交換,見圖6(b)。

圖6 λ=0.005 6條件下和Sw沿水深分布

圖6(c)為偏態(tài)系數(shù)沿水深分布。Su=0和Sw=0的位置(即猝發(fā)現(xiàn)象發(fā)生變化的臨界高度)基本吻合,并將水體分為上、下2層。在床面剪切紊流條件下,床面阻力主導紊流擬序運動,近床面區(qū)域產(chǎn)生了相應的渦結構并向水面演變[19],造成下層水體清掃、上層水體噴射。SE工況猝發(fā)現(xiàn)象的臨界高度位于0.1H～0.2H,即18 mm

2.2.2 自由剪切混合層紊流

本實驗自由剪切混合層紊流條件下(λ=0.360 0),流動特性參量沿水深分布見圖7。結果表明:“最大流速下移”現(xiàn)象消失,密集分布的植物群“抬高了床面”；床面起伏造成近床面流速降低、近水面流速增加,見圖7(a)；DF工況對應植物層外部(z>60 mm)的雷諾應力略小于DE工況的值,植物層內(nèi)部(0

在自由剪切混合層紊流條件下,K- H渦的形成和發(fā)展主要取決于植物阻力[1]。地形的變化并不影響植物阻力,也未改變植物頂部流動的不連續(xù)分布,因此植物頂部處的流速梯度,即圖7(a)的虛線斜率不隨床面條件而變化。鑒于床面阻力與自由剪切混合層紊動之間無直接聯(lián)系,床面變形對動量交換、臨界猝發(fā)高度的影響也不顯著。若將植物視作床面大尺度糙元,此時的上層類似于明渠流動的外區(qū)[11,20],相應的噴射作用同時受床面阻力和植物阻力的影響。地形沖淤增加了床面阻力,造成DF工況的噴射作用較DE工況劇烈,見圖7(c)。

圖7 λ=0.360 0條件下和Sw沿水深分布

2.2.3 類二重紊流

“類二重紊流”條件下(λ=0.045 0),床面變形對流速沿水深分布的影響程度介于自由剪切混合層紊流和床面剪切紊流之間,見圖8(a)。床面起伏促進植物層內(nèi)部的水流動量交換,與床面剪切紊流情況類似；抑制植物層外部的動量交換,與自由剪切混合層紊流情況類似,見圖8(b)。相比于其他2種紊流條件,床面變形顯著降低了猝發(fā)現(xiàn)象發(fā)生變化的臨界高度,由ME工況的1.5hv(z≈90 mm)降低到MF工況的hv(z≈60 mm),見圖8(c)。

在該條件下,植物阻力和床面阻力均對整個水深范圍內(nèi)的流動產(chǎn)生重要影響[12]。在床面以上一定高度的上部植物層,植物阻力和床面阻力將分別引起清掃和噴射作用[21]。圖8(c)表明,在ME和MF工況,上部植物層區(qū)域(以40 mm90 mm),床面阻力和植物阻力均對應紊動的噴射現(xiàn)象,造成MF工況的Su和Sw絕對值大于ME工況的值。

圖8 λ=0.045 0條件下和Sw沿水深分布

3 結 論

本文通過室內(nèi)水槽實驗,選擇粒徑均勻的石英沙,研究不同類型紊流條件下含淹沒植被明渠的床面沖淤特征以及床面變形對流動的影響。主要結論如下:

(1) 床面剪切紊流條件下,床面沖淤形態(tài)為植物根部沖淤和沙波形態(tài)的疊加。床面變形對流動的影響與無植物明渠情況類似,加劇了流速沿水深不均勻分布并促進水流動量交換。

(2) 自由剪切混合層紊流條件下,沖淤床面的形態(tài)特征主要表現(xiàn)為植物根部沖淤,即馬蹄形沖坑及其后方交錯分布的沙溝、沙脊。床面變形對植物頂部的流動不連續(xù)性以及水流動量交換的影響不顯著。

(3) “類二重紊流”條件下,床面的沖淤形態(tài)同樣表現(xiàn)為植物根部沖淤和沙波的疊加。水流運動特性同時取決于植物阻力和床面阻力,植物阻力對植物層的猝發(fā)現(xiàn)象起主導作用。床面變形促進植物層內(nèi)部的水流動量交換、抑制清掃作用,抑制植物層外部的動量交換、促進噴射作用。

致謝:感謝鄭金雨、劉杰夫在實驗過程中給予的幫助；感謝劍橋大學梁東方博士提供的有益討論。