郝由之，假冬冬, ，張幸農(nóng)，吳 磊，陳長(zhǎng)英

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210029； 2.長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院，江蘇 南京 210098)

河流形態(tài)演變是河流動(dòng)力學(xué)研究的基本問(wèn)題，傳統(tǒng)的河道演變預(yù)測(cè)通常只考慮河道與水流之間的相互作用，未將河道中廣泛存在的植被因子考慮在內(nèi)[1]。事實(shí)上，植被廣泛存在于河流系統(tǒng)中，其莖干等地上組織作為一種阻力邊界會(huì)擾動(dòng)水體、改變水流條件[2]，進(jìn)而影響岸灘侵蝕過(guò)程、河岸穩(wěn)定性及河流形態(tài)變化；此外，植被地下根系會(huì)與土體相互纏繞、增加土質(zhì)黏性，特別是對(duì)于岸灘植被而言，可以很好地起到穩(wěn)定河勢(shì)的作用[3-4]，由此可見植被能夠通過(guò)誘發(fā)河道水動(dòng)力學(xué)及岸灘穩(wěn)定土力學(xué)之間的相互反饋?zhàn)饔枚淖兒恿餍螒B(tài)，形成動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制發(fā)揮其效應(yīng)。

植被河道的水流特性十分復(fù)雜，不僅受千變?nèi)f化的河流形態(tài)及來(lái)水條件影響，還與植被直徑、高度、柔韌度、淹沒度及排列方式等密切相關(guān)[5-8]。通過(guò)揭示植被特性、河道形態(tài)及水動(dòng)力特性之間的響應(yīng)得出普適性規(guī)律，有助于深入理解河道紊流結(jié)構(gòu)并豐富生態(tài)水力學(xué)理論。在考慮植被對(duì)水流特性影響的基礎(chǔ)上，開展植被根系固土研究，并延伸到植被對(duì)岸灘穩(wěn)定及形態(tài)演化的影響，可以綜合反映植被在河流系統(tǒng)演變過(guò)程中發(fā)揮的效應(yīng)，為科學(xué)預(yù)測(cè)河流形態(tài)演變提供依據(jù)，對(duì)植被河流動(dòng)力學(xué)具有重要的基礎(chǔ)理論意義。

1 植被對(duì)河道水流特性影響研究

1.1 植被對(duì)水流阻力影響研究

植被是河流生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物因子，但植被的存在會(huì)導(dǎo)致水位壅高、水流阻力增大、流速減小，因此，出于對(duì)河道行洪安全的考慮，必須了解植被對(duì)水流阻力特性的影響，才能做出可靠的洪水預(yù)報(bào)。河道水流阻力一般通過(guò)糙率系數(shù)（如曼寧系數(shù)n和摩擦阻力系數(shù)f）進(jìn)行描述，它是考慮河床、河岸不規(guī)則邊界及粗糙度的綜合性系數(shù)[9]。在確定糙率系數(shù)時(shí)，首先建立帶有阻力項(xiàng)的水動(dòng)力學(xué)模型，然后將測(cè)得的水深、流速等參數(shù)代入阻力方程，得到不同水力條件下的糙率系數(shù)，但是當(dāng)河道中有植被時(shí)，受植被形狀、柔韌性、淹沒度及分布方式等因素影響，會(huì)給粗糙系數(shù)的確定增加難度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)植被河道水流阻力進(jìn)行了大量研究。早期，由于測(cè)量手段的限制，著重研究不同植被水流條件下糙率系數(shù)的變化[10]。傳統(tǒng)的方法是將曼寧系數(shù)n與一些用來(lái)描述流動(dòng)條件的參數(shù)相關(guān)聯(lián)，建立nvR曲線，其中vR是平均速度和水力半徑的乘積。Ree[11]以n-vR關(guān)系曲線形式總結(jié)了以往植被河道水流阻力的研究成果。Kouwen 等[12]對(duì)該曲線在特定狀況下的規(guī)律進(jìn)行了修改和補(bǔ)充，使其有了更廣泛的應(yīng)用。但n-vR曲線實(shí)際上反映了曼寧系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系，并沒有體現(xiàn)出植被與水流關(guān)系的本質(zhì)，也沒有考慮植被特性參數(shù)的影響。于是很多學(xué)者[5-8]又開展了植被特性參數(shù)（如植被密度、剛度、淹沒度及植被群占河流表面積比）與糙率系數(shù)相關(guān)關(guān)系的研究。此外，唐洪武等[13]還通過(guò)水槽試驗(yàn)結(jié)果建立了等效綜合糙率系數(shù)計(jì)算式，該公式將植被密度、剛度及幾何特性都考慮在內(nèi)，具有較廣的應(yīng)用價(jià)值。

由于植被單元可視作尺度較大的粗糙元，水流經(jīng)過(guò)植被時(shí)可視為圓柱饒流問(wèn)題，因此，除了通過(guò)糙率系數(shù)揭示植被對(duì)河道水流阻力影響之外，還可以用拖拽系數(shù)CD來(lái)描述植被對(duì)水流的阻力效應(yīng)。Petryk等[14]通過(guò)建立含植被水流的力學(xué)平衡公式，得到了曼寧系數(shù)n與拖拽系數(shù)CD之間的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化關(guān)系，但同樣沒有將植被特性與拖拽系數(shù)建立相關(guān)性。隨后很多學(xué)者[15-16]針對(duì)不同特性的植被建立了相應(yīng)的拖拽系數(shù)計(jì)算公式，可為具有相似性質(zhì)的植被水流阻力估算提供參考。

綜合看來(lái)，植被對(duì)河道水流阻力的影響可以通過(guò)糙率系數(shù)或拖拽系數(shù)進(jìn)行很好地描述，但是植被水流阻力是一個(gè)涉及多因素、多條件的復(fù)雜問(wèn)題，在針對(duì)實(shí)際問(wèn)題時(shí)還需考慮特定的植被參數(shù)和水流條件，才能得出更準(zhǔn)確的評(píng)估。

1.2 植被對(duì)床面切應(yīng)力影響研究

近期研究表明，植被河道的泥沙輸移速率可能與河床切應(yīng)力有關(guān)[17]，因此了解植被河道的河床切應(yīng)力分布對(duì)理解沉積物輸運(yùn)模式具有重要意義。在無(wú)植被河道中，存在多種估算河床切應(yīng)力的方法，但由于植被會(huì)對(duì)流速剖面和湍流產(chǎn)生影響，這些方法大多不適用于有植被的河道。

對(duì)于植被河道，水體受重力作用沿流向的下滑力平衡了床面切應(yīng)力和植被阻力，于是Jordanova等[18]試圖通過(guò)從下滑力中減去植物的阻力來(lái)估算床面切應(yīng)力，但植被阻力和水體下滑力都比床面切應(yīng)力大一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此該方法會(huì)導(dǎo)致較大的不確定性。

在無(wú)植被河道中，近床面紊動(dòng)能可用于估算床面切應(yīng)力，因?yàn)槲蓜?dòng)能主要由床面剪切產(chǎn)生，所以床面切應(yīng)力與紊動(dòng)能間存在一定聯(lián)系。而在有植被的河道中，植被產(chǎn)生的紊動(dòng)占總紊動(dòng)能的主要比重[19]，使得河床切應(yīng)力與紊動(dòng)能之間較難聯(lián)系其相關(guān)性。

Etminan等[20]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型模擬了植被河道的床面切應(yīng)力，研究表明河床切應(yīng)力的空間變異性隨著植被密度的增加而增加，植被間的河床切應(yīng)力也隨植被密度的增加而增加，但植被群整體導(dǎo)致的床面切應(yīng)力沒有體現(xiàn)。Kang等[21]采用雷諾應(yīng)力模型研究了含漫灘植被復(fù)式河道的河床切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)隨著植被密度的增加，河漫灘底部剪應(yīng)力整體減小，灘槽交界面和主河道底部切應(yīng)力增加，其模擬結(jié)果也與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好。

目前，均勻流條件下植被河道的床面切應(yīng)力可以得到較好估計(jì)，而實(shí)際河道中非均勻流情況居多。對(duì)于無(wú)植被河道，Zhang等[22]指出在減速流中，床面切應(yīng)力沿流動(dòng)方向減小，在加速流中，床面切應(yīng)力沿流動(dòng)方向增加，所以對(duì)植被河道在非均勻流條件下的床面切應(yīng)力變化也有待研究。

1.3 植被對(duì)流速分布影響研究

對(duì)于淹沒和非淹沒植被，其縱向流速在垂向上的分布有較大差異。對(duì)于非淹沒植被，垂線流速分布與無(wú)植被的河道類似，除了河床附近受床面阻力影響呈對(duì)數(shù)分布之外，在整個(gè)水流深度上，縱向流速接近均勻分布。對(duì)于淹沒植被，縱向流速沿水深分布不再遵循傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)分布規(guī)律，特別在植被頂端附近，流速會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，導(dǎo)致流速分區(qū)且具有較強(qiáng)的不均勻性。目前，關(guān)于流速分區(qū)現(xiàn)象，主要存在兩區(qū)劃分和三區(qū)劃分的觀點(diǎn)。

1.3.1 兩區(qū)劃分 兩區(qū)劃分是將流速在垂向上分為植被區(qū)和植被頂部的自由水流區(qū)兩部分。許多學(xué)者針對(duì)植被淹沒情況進(jìn)行水槽試驗(yàn)，并采用不同的長(zhǎng)度尺度和速度尺度進(jìn)行無(wú)量綱化，得出了多種形式的垂線流速分布公式。Stephan等[23]采用植物彎曲后的平均高度Hiv作為長(zhǎng)度尺度、傳統(tǒng)摩阻流速u*作為速度尺度，得到了植被頂部的流速分布公式為：其中，k為卡門常數(shù)，y為距河床的高度。Kouwen等[12]采用植物高度Hv作為長(zhǎng)度尺度、u*作為速度尺度，得出的公式為：，其中uHv為距離河床Hv處的流速。槐文信等[24]采用Hiv為長(zhǎng)度尺度、植物層頂部的摩阻流速為速度尺度（S為水槽坡度），并基于摻混長(zhǎng)度理論得到的流速分布公式為：由此看出，采用不同的特征尺度無(wú)量綱化得到的流速分布式存在較大差異，事實(shí)上，這是由于植物種類、密度、柔韌度、幾何形狀、淹沒情況和水流條件不同，才導(dǎo)致了流動(dòng)參量分布形式的不同，但總體趨勢(shì)較為一致，主要呈對(duì)數(shù)律分布。

1.3.2 三區(qū)劃分 相比于兩區(qū)劃分，三區(qū)劃分更加復(fù)雜，不僅分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)未達(dá)成一致，各區(qū)所遵循的流速分布規(guī)律也不盡相同。根據(jù)流速分布，三區(qū)大致可劃分為植物中下部近床面區(qū)、植物頂部與上部水流交界區(qū)以及遠(yuǎn)離植物頂部以上自由水流區(qū)。

文獻(xiàn)[25]以塑料條模擬植被進(jìn)行水槽試驗(yàn)，將流速以Hiv和Hv1沿水深方向進(jìn)行分區(qū)，其中Hv1為一個(gè)略高于植被的高度，在0＜y≤Hiv區(qū)域，流速呈冪律分布；在Hiv＜y≤Hv1區(qū)域，流速為線性分布；在Hiv＜y≤H區(qū)域，采用不同的特征尺度進(jìn)行無(wú)量綱化，得出冪律和對(duì)數(shù)率兩種流速分布形式。Carollo 等[26]提出以Y1和Y2為分界點(diǎn)進(jìn)行三區(qū)劃分，其中Y定義為y/H，即垂向位置與水深的比值，Y1和Y2分別位于植物頂端上方和下方，通過(guò)結(jié)合混合長(zhǎng)度理論得出了反正切函數(shù)的速度分布規(guī)律。

可以看出，選擇不同的分區(qū)節(jié)點(diǎn)、采用不同的特征尺度進(jìn)行無(wú)量綱化，最終得到了對(duì)數(shù)律、冪律和反正切函數(shù)律多種形式的流速分布式。閆靜等[27]指出對(duì)不同的區(qū)域要采用合適的且能涵蓋植被特性和水流特性的特征尺度，進(jìn)行有效的無(wú)量綱化，才能得到公認(rèn)且一致的流動(dòng)參數(shù)分布規(guī)律。當(dāng)然，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬研究在水流模擬方面得到了廣泛應(yīng)用，其計(jì)算結(jié)果已經(jīng)可以很好地同水槽試驗(yàn)結(jié)果相吻合，雖然未得到統(tǒng)一的流速公式，但發(fā)現(xiàn)淹沒植物的縱向流速沿垂線以植物頂端附近為拐點(diǎn)，總體呈反“S”型分布[28-29]。

1.4 植被對(duì)紊動(dòng)特性影響研究

對(duì)于植被河道，植被層與非植被層交界處存在水流剪切作用，因此水體會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)，水流特性隨之表現(xiàn)出復(fù)雜的三維各向異性，為了探明植被河道的紊流機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從水槽試驗(yàn)到數(shù)值模擬開展了一系列研究。

1.4.1 試驗(yàn)研究 早期，Nepf[30]利用示蹤劑顯示圓形植被陣列內(nèi)的紊流形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)紊流尺度受到植物密度和外形的影響。在此基礎(chǔ)上，研究者開始探究植被剛度、淹沒度、密度、植被類型及排列方式對(duì)紊動(dòng)特性的影響。López等[31]和Nezu等[32]分別以木棒和條狀薄片模擬淹沒剛性植被進(jìn)行水槽試驗(yàn)，并采用ADV、LDV和 PIV 測(cè)量工具進(jìn)行流場(chǎng)測(cè)定，結(jié)果均表明紊動(dòng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在植被頂部。張英豪等[33]以苦草為研究對(duì)象，進(jìn)行淹沒柔性植被水流的紊動(dòng)特性研究，發(fā)現(xiàn)紊動(dòng)能在冠層頂處最大，并向水面與床底進(jìn)行垂向傳輸，說(shuō)明對(duì)淹沒的柔性和剛性植被而言，冠層頂部速度梯度最大，水體脈動(dòng)最強(qiáng)烈，因此，紊動(dòng)強(qiáng)度和紊動(dòng)能最大值均出現(xiàn)在該區(qū)域。吳福生等[34]對(duì)比了剛性和柔性植被在相同水流條件下的紊動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)含剛性植被水流的紊動(dòng)強(qiáng)度沿水深均遠(yuǎn)大于含柔性植物水流，并且在植被冠層最明顯。此外，閆靜等[27]對(duì)淹沒剛性植被進(jìn)行水槽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水流紊動(dòng)特性還受植被淹沒度影響，當(dāng)淹沒度較小時(shí)，雷諾應(yīng)力分布遵循指數(shù)分布，淹沒度較大時(shí)則滿足線性分布。

在植被密度影響方面，焦軍麗等[35]以剛性非淹沒圓形植被陣列為研究對(duì)象，探討了不同植被密度下紊動(dòng)能的橫向、縱向和垂向分布規(guī)律。李艷紅等[36]分析了植被密度對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度垂向分布最大值及其出現(xiàn)位置的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在一定植被密度范圍內(nèi)，因植被微弱的擺動(dòng)和冠層邊界的不規(guī)則性，紊動(dòng)強(qiáng)度隨植被密度增大而增大，當(dāng)植被密度達(dá)到一定程度時(shí)，紊動(dòng)強(qiáng)度隨植被密度增加而減弱。綜合植被密度及植被類型對(duì)紊動(dòng)特性的影響，趙連權(quán)等[37]以天然沉水植物狐尾藻和菹草為試驗(yàn)對(duì)象，發(fā)現(xiàn)植被密度較大時(shí)，紊動(dòng)強(qiáng)度較大，且不同植被對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律相似，當(dāng)植被密度較小時(shí)，紊動(dòng)強(qiáng)度較小，但不同植被條件下紊動(dòng)強(qiáng)度垂線分布差異較為明顯。

此外，還有學(xué)者特別針對(duì)不同類型的植被進(jìn)行試驗(yàn)研究，趙芳[38]以雙層植被和樹冠植被為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)不同植被下的紊動(dòng)強(qiáng)度分布有較大差異；楊克君等[39]選用不同的材料分別對(duì)喬木、灌木和野草進(jìn)行模擬，并將植被布置于灘地位置，試驗(yàn)結(jié)果表明，水流的紊動(dòng)強(qiáng)度受植被種類的影響較大，但總體趨勢(shì)相同，灘地植被會(huì)引起水流紊動(dòng)強(qiáng)度的增加，且縱向和垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度相當(dāng)，都服從S型分布。事實(shí)上，對(duì)于灘地生長(zhǎng)植被的復(fù)式河道而言，植被的存在不僅影響紊動(dòng)特性垂向分布，對(duì)橫向分布影響也很顯著。王忖[2]對(duì)復(fù)式河道灘地種樹情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)灘地種樹后灘槽交界處紊動(dòng)強(qiáng)度會(huì)顯著增大，但在主槽中心紊動(dòng)強(qiáng)度變化不明顯。

以上研究中植被通常被設(shè)置為單一有序的排列，而在自然河道中，植被的排列方式有多種情況。樊新建等[40]針對(duì)淹沒柔性植被在矩形排列和梅花式排列兩種分布情況進(jìn)行了水流特性研究，得出在植被區(qū)頂部，水流紊動(dòng)特性規(guī)律相似，而在植被層區(qū)，矩形排列方式下的紊動(dòng)強(qiáng)度高于梅花式排列情況，梅花式排列的植被阻水效應(yīng)更顯著，這說(shuō)明植被排列方式也是影響水流特性的重要因素。

1.4.2 數(shù)值模擬研究 在進(jìn)行植被水流試驗(yàn)研究的同時(shí)，很多學(xué)者也試圖利用數(shù)值模擬方法研究植被對(duì)水流特性的影響。相比模型試驗(yàn)，數(shù)值模擬可準(zhǔn)確獲得整個(gè)計(jì)算域的水動(dòng)力特性，常用的數(shù)值模擬方法按照計(jì)算原理可分為雷諾平均方法（RANS）和大渦模擬方法（LES）兩大類。雷諾平均方法是指針對(duì)特定的水流條件建立雷諾平均方程，并結(jié)合紊流模型進(jìn)行方程的封閉，如k-ε紊流模型、k-ω紊流模型和雷諾應(yīng)力模型（RSM）等。大渦模擬方法是對(duì)斯托克斯方程進(jìn)行濾波處理，大尺度渦通過(guò)控制方程直接求解，小尺度渦使用通用模型來(lái)進(jìn)行模擬。

（1）雷諾平均方法。采用雷諾平均方法研究植被水流時(shí)，可以從兩種角度進(jìn)行考慮。第一種是在求解動(dòng)力方程時(shí)通過(guò)對(duì)動(dòng)量或紊流輸運(yùn)方程增加源、匯項(xiàng)來(lái)反映植被對(duì)水流的影響，以達(dá)到對(duì)動(dòng)力方程的補(bǔ)充與修正；第二種是將植被直接視為一種固體圓柱邊界進(jìn)行處理。

在考慮植被影響的動(dòng)力方程修正方面，Wu等[41]通過(guò)在動(dòng)量方程中考慮水流對(duì)植被施加的阻力，在kε模型中考慮由植被引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生與耗散，建立了深度平均紊流模型，由于模型中控制方程包含了植被密度項(xiàng)，因此，該模型適用于植被密度較高的情況。Zhang等[42]在動(dòng)量方程和k-ε模型中均添加了植被拖拽力，建立了考慮植被影響的二維數(shù)值模型，并結(jié)合VOF方法可準(zhǔn)確追蹤植被河道的水面波動(dòng)。Hsieh等[43]在含植被水流研究時(shí)引入多孔介質(zhì)理論，多孔介質(zhì)的特點(diǎn)是不考慮單個(gè)植被單元的作用，而是將整個(gè)植被群視為多孔區(qū)域。吳夢(mèng)瑤等[44]基于多孔介質(zhì)理論建立了植被水流模擬方法，將植被群引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生及耗散項(xiàng)分別引入k-ε模型的源、匯項(xiàng)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)該模型在捕捉植被尾流時(shí)具有較高的精度。以上模型均為二維模型，而含植被的河道水流具有復(fù)雜的三維各向異性，因此，三維水流模型的建立非常必要。劉誠(chéng)等[45]將 Wu等[41]的模型擴(kuò)展到非正交曲線坐標(biāo)系下建立的三維數(shù)學(xué)模型，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)該模型可以準(zhǔn)確模擬植被河道的水動(dòng)力特性。這些研究中，由于植被對(duì)水流的作用通過(guò)在動(dòng)力方程中添加阻力項(xiàng)概化實(shí)現(xiàn)，因此，對(duì)于植被群整體的阻水效應(yīng)，如尾流特征可以較好地模擬，但植被群內(nèi)部小尺度紊流特性的捕捉仍存在一定困難。

將植被視為固體邊界考慮時(shí)，文獻(xiàn)[46]采用穩(wěn)態(tài)雷諾時(shí)均方程和k-ε模型，研究了兩個(gè)相鄰且等直徑圓形植被斑塊繞流，并發(fā)現(xiàn)植被陣列隨橫、縱向間距改變會(huì)產(chǎn)生幾種不同的流型。楊穎宜等[47]采用標(biāo)準(zhǔn)的kε模型封閉雷諾方程，對(duì)含灘地植被的復(fù)式河道水流特性進(jìn)行模擬，得到了不同淹沒高度和不同來(lái)水條件下植被對(duì)復(fù)式河道紊動(dòng)能及二次流變化的影響。曾琳等[48]針對(duì)含喬木的非對(duì)稱復(fù)式河道，分別采用雷諾應(yīng)力模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行三維水流數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比得出雷諾應(yīng)力模型比標(biāo)準(zhǔn)kε模型在模擬二次流和縱向流速時(shí)更加準(zhǔn)確的結(jié)論。目前，植被等效為圓柱體時(shí)，研究對(duì)象多針對(duì)剛性植被，而河道中柔性植被廣泛存在，且柔性植被受水流作用發(fā)生彎曲，隨之影響河道紊流特性的變化，因此，今后的模擬中還有待加強(qiáng)對(duì)植被擺動(dòng)、變形等動(dòng)邊界問(wèn)題的考慮。

總體而言，采用雷諾平均方法來(lái)模擬植被河道水流，可以從較宏觀的尺度下了解植被河道的水流特性，但對(duì)于細(xì)部流場(chǎng)渦流結(jié)構(gòu)的模擬還存在一定困難。因此，也有學(xué)者將大渦模擬方法應(yīng)用于植被水流的研究，可以得到含植被水流中更加精細(xì)的紊動(dòng)特性。

（2）大渦模擬方法。Nadaoka[49]利用大渦模擬技術(shù)建立了針對(duì)計(jì)算非淹沒植被水流的二維淺水模型，并提出了沿水深方向的次水深尺度紊流概念，用以模擬三維紊流長(zhǎng)度尺度小于水深的情況，模擬結(jié)果可以清晰地展現(xiàn)有序的大渦結(jié)構(gòu)，且流速分布結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，但該模型在求解二維淺水方程和紊動(dòng)方程時(shí)得到的是沿水深平均的結(jié)果，難以反映流速和紊動(dòng)特性沿水深方向的變化。對(duì)此，宿曉輝等[50]建立了用于計(jì)算植被河道水流的三維大渦模型，其中控制方程為經(jīng)過(guò)濾波后的斯托克斯方程，控制方程中的亞網(wǎng)格項(xiàng)通過(guò)紊流脈動(dòng)動(dòng)能和特征長(zhǎng)度進(jìn)行假設(shè)，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)大渦模擬技術(shù)在研究植被河道的水流紊動(dòng)特性時(shí)是可靠的。此外，Su等[51]還采用三維大渦模擬方法研究了含淹沒植被的水流，結(jié)果表明該模型能較好地模擬植被水流結(jié)構(gòu)和大渦的發(fā)展過(guò)程。

大渦模擬在模擬水流紊動(dòng)特性的同時(shí)還可以捕捉植被尾流擴(kuò)散規(guī)律及相干結(jié)構(gòu)，Yan等[52]利用大渦模擬研究淹沒植被水流時(shí)，在植被冠層區(qū)內(nèi)引入了附加擴(kuò)散率，可以恰當(dāng)?shù)胤从硺?biāo)量輸送，并能說(shuō)明植被莖尾流對(duì)紊流擴(kuò)散的影響。Cui等[53]利用大渦模擬捕捉到了淹沒植被頂部的相干結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)大渦模擬方法比雷諾平均方法能更有效地模擬植被水流紊動(dòng)特性的各向異性。

總體而言，大渦模擬應(yīng)用于植被水流研究可以將動(dòng)量交換和雷諾應(yīng)力顯著放大。因此，該模擬方法在模擬精細(xì)的紊動(dòng)特性和相干結(jié)構(gòu)時(shí)有一定優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)計(jì)算域較大，而細(xì)部渦流復(fù)雜區(qū)域占比相對(duì)較小的情況，不宜采用大渦模擬對(duì)河道整體水流特性進(jìn)行計(jì)算研究，因?yàn)榇鬁u模擬對(duì)計(jì)算網(wǎng)格要求較高，需要?jiǎng)澐州^為精細(xì)的網(wǎng)格，那么對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量必然會(huì)大大增加，從而導(dǎo)致運(yùn)算量增大、計(jì)算效率降低。

2 植被對(duì)河道岸灘形態(tài)影響研究

隨著人類生態(tài)環(huán)保意識(shí)的日益提高，植被逐漸成為河道岸灘防護(hù)的重要元素。關(guān)于植被護(hù)岸可增強(qiáng)岸灘穩(wěn)定性及穩(wěn)定河勢(shì)的說(shuō)法一直為多數(shù)人認(rèn)可，但都是一些定性的結(jié)論，關(guān)于植被根系對(duì)岸灘穩(wěn)固的定量研究較少，實(shí)際上，植被的根系與岸灘土體相纏繞，會(huì)改變岸坡土體參數(shù)，從而使得岸坡安全系數(shù)發(fā)生變化。因此在評(píng)價(jià)植被護(hù)岸穩(wěn)定性時(shí)，將植被根系作用考慮在內(nèi)才能真正反映根系的貢獻(xiàn)量。

2.1 植被根系固土研究

根系生長(zhǎng)于土壤中，當(dāng)外力荷載作用于含根土?xí)r，由于根系與土體的彈性模量存在數(shù)量級(jí)差異，會(huì)導(dǎo)致根系與土體之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)或產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)，根與土之間產(chǎn)生摩擦力，這種摩擦力可充分調(diào)動(dòng)根系的抗拉作用與土體的抗壓作用，使含根土的抗剪強(qiáng)度得到有效提高，從而減小土體的變形[54]。為了明確根系對(duì)土體強(qiáng)度的增強(qiáng)效果，可以采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)等方法進(jìn)行含根土體的力學(xué)特性測(cè)試。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法包括原位十字板剪切試驗(yàn)和大型直剪盒試驗(yàn)。原位十字板剪切試驗(yàn)可以測(cè)定根-土復(fù)合體的強(qiáng)度參數(shù)，但原位十字板剪切試驗(yàn)只能測(cè)量土體在不排水情況下的抗剪強(qiáng)度，且測(cè)量結(jié)果只能反映含根土體的黏聚力而不能反映內(nèi)摩擦角[55]。原位直剪盒試驗(yàn)可避免土體測(cè)樣受人為擾動(dòng)，因此測(cè)量結(jié)果的精確度較高，但該試驗(yàn)方法不太適用于根系分布較廣的情況[56]。

室內(nèi)試驗(yàn)方法最常用的是直剪試驗(yàn)，直剪試驗(yàn)是采用水平切應(yīng)力和垂向壓力對(duì)含根土塊進(jìn)行破壞，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中的剪應(yīng)力變化來(lái)確定根土復(fù)合體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，其結(jié)果較為準(zhǔn)確，因此在根系固土研究中廣為應(yīng)用。張飛等[57]對(duì)含根土和素土進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨根系密度增加土體抗剪強(qiáng)度有大幅增加。除根系密度可影響土體強(qiáng)度外，根系的分布形式也是重要的影響因子，根系的分布形式主要包括垂直分布、水平分布及混合分布。研究表明復(fù)合型根系固土效果最好，垂直根系次之，水平根系相對(duì)最差[58]。此外，還有學(xué)者研究植被類型對(duì)土體強(qiáng)度的影響，Hengchaovanich[59]針對(duì)含不同植被根系的土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含草本類植被根系土體的抗剪強(qiáng)度增加值是含樹木根系土體的2～3倍。自然條件下，土體含水量受季節(jié)等外因條件會(huì)發(fā)生改變，而土體含水量變化會(huì)引起土體強(qiáng)度的變化，對(duì)此，楊永紅等[60]測(cè)定了不同含水量條件下含根系土體的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果表明根系的存在可減輕土體含水量變化對(duì)土體強(qiáng)度的影響。

上述試驗(yàn)結(jié)果可以判定根系對(duì)土體力學(xué)特性的影響，但沒有進(jìn)一步將根系作用下的土體強(qiáng)度參數(shù)用于岸坡穩(wěn)定性計(jì)算，實(shí)際上，對(duì)于岸灘穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，可基于以上植被根系的加筋固土作用研究，建立恰當(dāng)?shù)母?土復(fù)合體模型，計(jì)算出岸灘的安全系數(shù)，從而對(duì)生態(tài)岸灘穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

2.2 植被對(duì)岸灘穩(wěn)定性影響研究

安全系數(shù)法是衡量岸坡是否穩(wěn)定常用的一種定量判斷方法。關(guān)于安全系數(shù)的計(jì)算方法通常有極限平衡法和有限元法。極限平衡法是一種歷史悠久且應(yīng)用成熟的計(jì)算方法，在計(jì)算植被護(hù)岸穩(wěn)定性時(shí)，可采用Wu等[61]提出的根系加筋模型，考慮了坡體滑塌時(shí)根系起到的抗拉作用，并依據(jù)摩爾庫(kù)倫理論建立了根-土間相互作用模型，為根-土力學(xué)機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)，但該模型假定坡體發(fā)生破壞時(shí)所有根系同時(shí)斷裂，因此會(huì)高估根系對(duì)坡體穩(wěn)定的貢獻(xiàn)量。為此，Pollen等[62]考慮到坡體發(fā)生破壞時(shí)根系斷裂的動(dòng)態(tài)過(guò)程建立了纖維束模型，但該模型重點(diǎn)關(guān)注的是垂直根系對(duì)土體強(qiáng)度的加強(qiáng)作用，而忽略了側(cè)根的貢獻(xiàn)。Schwarz等[63]提出了考慮根長(zhǎng)及分形特征的根束增強(qiáng)模型，該模型考慮因素全面，但計(jì)算式需要的參數(shù)較多且參數(shù)獲取過(guò)程比較繁瑣，所以模型的推廣應(yīng)用具有一定的困難。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸被運(yùn)用在坡體穩(wěn)定性研究中，其中最常用的數(shù)值模擬方法是有限元法，與極限平衡法相比，有限元法適用于任何復(fù)雜的構(gòu)件變形，并且可以設(shè)定更真實(shí)的初始條件和邊界條件。有限元法中復(fù)雜的本構(gòu)模型可以解決邊坡彈塑性、各向異性、流固耦合等方面的問(wèn)題，同時(shí)能夠捕捉各單元或節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力、應(yīng)變及破壞情況。近年來(lái)這種方法得到了大量學(xué)者的認(rèn)可，并被用來(lái)解決生態(tài)修復(fù)工程領(lǐng)域的實(shí)際問(wèn)題。及金楠[3]通過(guò)有限元法計(jì)算了不同植被根系所提供的附加黏聚力及安全系數(shù)，為邊坡造林提供了理論性依據(jù)。宋維峰[4]結(jié)合有限元法，建立根-土復(fù)合體模型，提出了可以用于分析林木根系固土的數(shù)值分析方法，該方法能反映根系對(duì)土體的應(yīng)力、應(yīng)變的影響及不同類型根系對(duì)土坡穩(wěn)定的不同影響，可以幫助在岸灘造林實(shí)踐中選擇適宜的植樹類型和植樹密度。郝由之[64]在植被型岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，分別為植物根系、土體及根土接觸選取適宜的模型，并考慮根系與土體間的相互作用，建立基于強(qiáng)度折減原理的根-土分離式計(jì)算模型，分析不同植被類型及多種布設(shè)方式下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)，提出了生態(tài)岸坡合理的植被布設(shè)方法。

有限元模型用于植被生態(tài)岸坡的穩(wěn)定性計(jì)算已取得大量成果，但是在研究岸灘穩(wěn)定性時(shí)，綜合考慮河道水體滲流作用及水流沖刷侵蝕作用對(duì)岸灘穩(wěn)定性影響的研究較少。

3 結(jié) 語(yǔ)

植被河道的水流特征探究取得了較好進(jìn)展，在研究方法上已趨于成熟，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的精度；在研究?jī)?nèi)容上，考慮了不同的來(lái)水條件和反映植被性質(zhì)的各項(xiàng)參數(shù)，分析了有、無(wú)植被工況下的河道水流特性。但目前研究中，植被通常使用圓柱替代，使得關(guān)于植被枝、葉對(duì)河道阻力、河床切應(yīng)力及水流紊動(dòng)特性影響的定量研究較為缺乏；在數(shù)值模擬研究方面，關(guān)于柔性植被對(duì)水流影響的研究較少，需要進(jìn)一步考慮植被與水流間的流固耦合關(guān)系。另外，關(guān)于河道形態(tài)邊界這一因素考慮還不全面，目前的研究成果大多集中在有植被的直線和彎曲型河道，而植被對(duì)分汊河道水流特性的研究還未能全面展開，特別是考慮不同分汊數(shù)、分汊角及各汊道寬度比情況下的植被水流特性還有待深入研究。

植被固土作用研究一般通過(guò)剪切試驗(yàn)確定根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。基于根系對(duì)土體加筋作用的研究，研究學(xué)者又開展了根系對(duì)岸坡穩(wěn)定性的定量研究，考慮了根系密度、分支特點(diǎn)及植被種類多種因素，建立了適用于不同情況的理論模型和數(shù)值模型，其研究結(jié)果可為岸灘生態(tài)治理提供科學(xué)參考。但目前的研究還存在一些不足，例如沒有考慮岸灘材料的非均質(zhì)性、河道水流對(duì)岸灘的侵蝕沖刷作用及水體滲流對(duì)岸灘土質(zhì)參數(shù)的影響，而這些因素也是影響岸灘穩(wěn)定性預(yù)測(cè)的關(guān)鍵要素，其中的相關(guān)響應(yīng)機(jī)制還需進(jìn)一步探索和發(fā)掘。

植被存在于河道水流與岸灘邊界的交接處，對(duì)水流和岸灘有著兩方面的影響。但同時(shí)考慮植被莖干對(duì)水流影響的水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、植被根系對(duì)岸灘加固的土力學(xué)問(wèn)題及其之間的交替影響，系統(tǒng)研究植被對(duì)形態(tài)演變影響的研究較少，且如何綜合考慮植被對(duì)水流阻力的負(fù)面影響及植被對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定的正面影響，使植被在河道系統(tǒng)演變中發(fā)揮最有效的作用，也是未來(lái)植被河流動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。