明渠植物對(duì)沙波形態(tài)變化的影響研究

趙杰 孫雪嵐 郝瑞霞 姚歌 張朝瑜 黃典晨

摘 要：沙波在自然河道中廣泛存在，其對(duì)河床形態(tài)的變化起著不可忽視的作用。通過(guò)在玻璃水槽中采用有機(jī)玻璃棒模擬剛性挺水植物對(duì)沙波各種運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化的影響，并引入ＭＩＫＥ２１ 水動(dòng)力數(shù)值模型，從宏觀與微觀兩個(gè)方面，研究沙波的波長(zhǎng)、波寬、波高、波長(zhǎng)波寬比、迎流面與背流面波長(zhǎng)比等在水中植物影響下的變化現(xiàn)象，探究河道泥沙的群體運(yùn)動(dòng)機(jī)制，為自然河道中泥沙的治理提供一定的借鑒。結(jié)果表明，在挺水植株對(duì)水流流態(tài)變化的影響下，沙波的波長(zhǎng)、波寬、波高沿程形態(tài)變化顯著，尤其在植株繞流影響下，泥沙顆粒在植株兩側(cè)運(yùn)動(dòng)速度增大，呈現(xiàn)沖刷的態(tài)勢(shì)，沙波也隨之出現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，植樹(shù)前后上游沙波形態(tài)亦有顯著差異。

關(guān)鍵詞：沙波；植物；流場(chǎng)；ＭＩＫＥ２１

中圖分類號(hào)：ＴＶ８３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００８

引用格式：趙杰，孫雪嵐，郝瑞霞，等．明渠植物對(duì)沙波形態(tài)變化的影響研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（７）：４２－４７，６７．

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，河流在人民日常生活和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中扮演著越來(lái)越重要的角色，尤其是在居民生活供水與農(nóng)業(yè)灌溉用水方面，更是起著不可忽視的作用。系統(tǒng)研究自然河道中推移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)狀況，準(zhǔn)確掌握河床沖淤演變規(guī)律是充分發(fā)揮河流綜合效益的前提條件。沙波形態(tài)變化是水動(dòng)力、泥沙性質(zhì)、各種邊界條件共同作用的結(jié)果［１］ ，是河床形態(tài)變化的重要表現(xiàn)形式［２］ 。沙波的動(dòng)態(tài)變化經(jīng)常影響著人類的各類活動(dòng)，例如航運(yùn)和近岸工程建設(shè)等，尤其是對(duì)淺水區(qū)的航運(yùn)影響顯著；同時(shí)對(duì)河底設(shè)施構(gòu)成安全隱患，如取水工程等。因此，研究沙波形態(tài)變化對(duì)水上航運(yùn)、設(shè)施建設(shè)等均有重要的意義。

隨著水流的運(yùn)動(dòng)，推移質(zhì)顆粒群體在宏觀上做各種不同形式的運(yùn)動(dòng)，床面形態(tài)也隨著輸沙強(qiáng)度的不同而實(shí)時(shí)改變［３］ 。沙波的形成發(fā)展影響著河床阻力及推移質(zhì)輸沙率等，對(duì)河道的自然演變有著重要的影響［４］ 。關(guān)于沙波的形成機(jī)制，Ｃｏｒｎｉｓｈ［５］ 認(rèn)為初始沙波的形成是泥沙沖淤的結(jié)果，其中沙波橫向發(fā)展速度主要受近床水流影響。Ｄａｍｇａａｒｄ 等［６］ 分析了泥沙非均勻度對(duì)沙波形態(tài)的影響，認(rèn)為沙波波長(zhǎng)、波高隨水流強(qiáng)度的變化不受泥沙非均勻度的影響。Ｗｅｒｎｅｒ 等［７］ 歸納了沙波波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。沙波運(yùn)動(dòng)規(guī)律與多種因素存在著密切關(guān)系。Ｃｏｌｅｍａｎ 等［８］ 基于水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了沙波波速、波高與推移質(zhì)輸沙率之間的函數(shù)關(guān)系。Ｒａｕｄｋｉｖｉ［９］ 通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)得出沙波是泥沙顆粒在各種因素共同作用下的宏觀表現(xiàn)，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙率與沙波的波高成負(fù)相關(guān)關(guān)系，河道中植物的阻力作用直接、間接影響著沙波的形態(tài)變化，尤其是對(duì)水流流態(tài)的影響，間接影響了沙波的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律。Ｄｕｎｎ 等［１０］ 在矩形渠道中對(duì)淹沒(méi)的剛性與柔性圓棒進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水流阻力隨植被密度的增大而增大。張?jiān)h等［１１］ 利用床面形態(tài)控制數(shù)及床面形態(tài)判別方法，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流量逐漸增大時(shí)，床面形態(tài)逐漸由沙壟向過(guò)渡、動(dòng)平整方向發(fā)展。

在天然河道中，外界環(huán)境條件復(fù)雜，不能保證沙波形態(tài)是在觀測(cè)到的水流條件下形成的，故研究采用室內(nèi)玻璃水槽試驗(yàn)方法，以基本確保沙波形態(tài)與當(dāng)前水流條件的一致性。在植物對(duì)沙波運(yùn)動(dòng)形態(tài)的影響領(lǐng)域，前人的研究甚少，本文基于推移質(zhì)模型沙運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了植物種植前后，水槽沿程的沙波波高、波長(zhǎng)、波寬等的變化情況，并應(yīng)用ＭＩＫＥ２１ 軟件對(duì)植被影響下的水流流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，分別從微觀與宏觀兩方面定性、定量地研究剛性植物對(duì)沙波形態(tài)變化的影響及其變化規(guī)律，進(jìn)而比較分析植物種植前后沙波形態(tài)的差異，以期深入理解河床推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)與規(guī)律，完善動(dòng)床河道的泥沙治理理論與方法。

１ 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

１．１ 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)是在太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院水工實(shí)驗(yàn)室的玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行的（設(shè)備布置見(jiàn)圖１），水槽長(zhǎng)１２ ｍ、寬０．４ ｍ、高０．５ ｍ，玻璃水槽底部平整度小于０．５ ｍｍ。水槽模型試驗(yàn)用水由循環(huán)供水系統(tǒng)供給，能保證水流狀態(tài)為恒定流。整個(gè)循環(huán)供水系統(tǒng)由變頻控制水泵提供所需流量，電磁流量計(jì)觀測(cè)實(shí)時(shí)流量。槽首設(shè)有消能柵板，用于穩(wěn)定水流；水槽末端設(shè)有可調(diào)節(jié)的活頁(yè)式尾門(mén)，垂直于出水口處設(shè)有一攔沙篩，水流經(jīng)尾門(mén)后穿過(guò)攔沙篩跌入水道。

水槽上設(shè)有可活動(dòng)測(cè)針架，水槽頂部有帶刻度的軌道，可供測(cè)針架移動(dòng)與讀取所測(cè)斷面的位置。在玻璃水槽底部設(shè)有自動(dòng)升降螺桿，可用于調(diào)節(jié)水槽的坡度。沿水槽縱向自進(jìn)口起設(shè)置了１０ 個(gè)量測(cè)斷面，斷面間距為１．０ ｍ，水槽軌道刻度零點(diǎn)所在的斷面記為０ 斷面，其余斷面依次編號(hào)（見(jiàn)圖１）。

１．２ 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用中值粒徑ｄ５０ ＝０．３４ ｍｍ 的非均勻塑料沙作為推移質(zhì)模型沙，塑料沙在目前河工模型試驗(yàn)中運(yùn)用較為廣泛，密度約為１ ０５０ ｋｇ／ ｍ３，呈白色半透明狀。塑料沙為憎水型輕質(zhì)沙，在水中的物理、力學(xué)性質(zhì)都較為穩(wěn)定，且顆粒間一般不存在黏結(jié)現(xiàn)象。水槽底部鋪約５ ｃｍ 厚的模型沙，試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)輸沙率在水槽首部加沙。

為了較真實(shí)地模擬剛性挺水植物對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的影響［１２］ ，同時(shí)考慮到樹(shù)木的阻力相似，本試驗(yàn)采用有機(jī)玻璃棒模擬自然莖稈狀的挺水植物（見(jiàn)圖２），有機(jī)玻璃棒高２６ ｃｍ、直徑４ ｍｍ。試驗(yàn)采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)固定有機(jī)玻璃（模型樹(shù)），試驗(yàn)時(shí)將模型樹(shù)固定在網(wǎng)格的圓形孔內(nèi)。模型樹(shù)布置采用行列交錯(cuò)方式，其中行距為９ ｃｍ、株距為８ ｃｍ，共７ 排，植物群長(zhǎng)６０ ｃｍ、寬２４ｃｍ，共２５ 棵，種植密度為１７４ 棵／ ｍ２，模型樹(shù)布置示意如圖３ 所示。為避免平整床面因初始流量過(guò)大沖刷泥沙而破壞底床，試驗(yàn)中水槽流量逐步調(diào)節(jié)，最終穩(wěn)定流量為７．６９ Ｌ／ ｓ，采用沙莫夫公式計(jì)算得泥沙顆粒起動(dòng)流速為０．０４１ ｍ／ ｓ。

１．２．２ 試驗(yàn)測(cè)試手段

本試驗(yàn)通過(guò)可活動(dòng)式測(cè)針測(cè)讀水位、沙波各部位的水深等，測(cè)量精度達(dá)０．１ ｍｍ。采用多普勒流速儀測(cè)量流速，基于聲學(xué)多普勒原理測(cè)量水體中粒子的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)代表水體運(yùn)動(dòng)速度，測(cè)量精度達(dá)０．００１ ｍ／ ｓ。水槽流量通過(guò)電磁流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，測(cè)量精度可達(dá)０．０１ ｍ３ ／ ｈ。

２ 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

２．１ 植樹(shù)前沙波沿程變化

大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)河槽底部比較平坦時(shí)，沙波的波高、波長(zhǎng)等都比較均勻。本試驗(yàn)選取了多組形態(tài)較為明顯的沙波進(jìn)行量測(cè)，如圖５ 所示。受玻璃水槽邊界的影響，部分沙波失真，所以數(shù)據(jù)較為離散，本文選取數(shù)目較多的沙波來(lái)分析其變化的總趨勢(shì)。植樹(shù)前沙波各種形態(tài)沿程變化規(guī)律見(jiàn)圖６，其中紅線為擬合的整體趨勢(shì)線。

從圖６ 中趨勢(shì)線可以看出沙波的波長(zhǎng)、波寬均沿程逐漸增大，主要原因是玻璃水槽中水流流速沿程逐漸加快。相比之下，波長(zhǎng)波寬比卻沿程逐漸減小，說(shuō)明波長(zhǎng)沿程變化幅度大于波寬的變化幅度。迎流面與背流面波長(zhǎng)比也在逐漸增大，說(shuō)明迎流面波長(zhǎng)增長(zhǎng)幅度大于背流面波長(zhǎng)的增長(zhǎng)幅度。試驗(yàn)中波高沿程下降，其趨勢(shì)線斜率比其他指標(biāo)趨勢(shì)線斜率大，直到水槽２．３５ ｍ刻度處，河床仍無(wú)明顯起伏狀態(tài)。大部分試驗(yàn)表明，沙波的波高隨水流流速的加快而增大，當(dāng)超過(guò)某一臨界值后，由于水流流速過(guò)快，沖刷加劇，沙波波高反而逐漸減小，直至消亡，說(shuō)明試驗(yàn)中雖然水流流速在水槽中沿程加快，但是水流初始速度已經(jīng)超過(guò)波高增加的臨界值，故研究中植樹(shù)前的沙波波高呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。從圖６ 中可以看出沙波的各種形態(tài)均隨水槽長(zhǎng)度的增加而逐漸變化，直到約２．５ ｍ 處，沙波形態(tài)逐漸消亡。從上述分析可以看出，在玻璃水槽中未植樹(shù)前，沙波形態(tài)沿程變化的趨勢(shì)均具有一定的規(guī)律性，且基本為較單一的線性變化。

２．２ 植樹(shù)后沙波形態(tài)沿程變化

水槽中植樹(shù)后沙波形態(tài)的沿程變化有較明顯的規(guī)律性，如圖７ 所示虛線為擬合的整體變化趨勢(shì)線。圖７（ａ）為沙波波高沿程變化趨勢(shì)圖，沙波波高在植株群上游呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì)，而流速是沿程逐漸遞減的。這是因?yàn)樯巢úǜ唠S流速的增大而增大，但是當(dāng)流速超過(guò)一定值時(shí)，水流的沖刷作用又會(huì)使沙波波高逐漸變小，所以在流速逐漸變小過(guò)程中，靠近進(jìn)口段水流流速較大，對(duì)波高有沖刷作用，而流速沿程減小后沖刷作用減弱，推移質(zhì)泥沙顆粒被水流帶到波峰較多，波高高度增大，之后水流流速繼續(xù)變小，泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)變緩，波峰高度逐漸減小。圖７（ｂ）為沙波波寬沿程變化趨勢(shì)圖，從趨勢(shì)線可以看出沙波波寬沿程變化幅度較小，但仍然呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，水流流動(dòng)變緩，水流能量減弱，沙波波寬變小。圖７（ｃ）為沙波波長(zhǎng)沿程變化趨勢(shì)圖，從圖中的變化趨勢(shì)線可以看出在植株群上游波長(zhǎng)整體趨勢(shì)變化不大，但有輕微減小，這是因?yàn)橹仓耆簩?duì)水流有一定的阻滯作用，在植株群上游出現(xiàn)壅水，水流流速沿程逐漸減小，沙波波長(zhǎng)隨流速的減小亦呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，由于波峰處水流流速減小，波峰泥沙運(yùn)動(dòng)速度變慢，部分泥沙沉降，宏觀上表現(xiàn)為波峰運(yùn)動(dòng)被阻滯，速度變慢，沙波背流面向前推進(jìn)亦變緩，沙波迎流面流速大于波峰處流速，泥沙運(yùn)動(dòng)速度也同樣大于波峰處泥沙的運(yùn)動(dòng)速度，故波長(zhǎng)在宏觀上表現(xiàn)為變短。相反，波峰處流速大于迎流面的流速時(shí)，波長(zhǎng)在宏觀上表現(xiàn)為變長(zhǎng)。圖７（ｄ）為迎流面與背流面波長(zhǎng)之比沿程變化情況，從趨勢(shì)線可以看出，在植株群上游波長(zhǎng)比沿程呈減小趨勢(shì)，至植株群前變?yōu)樽钚?，即背流面波長(zhǎng)變化幅度小于迎流面，說(shuō)明背流面淤積程度高于迎流面的沖刷程度。圖７（ｅ）為波長(zhǎng)波寬比沿程變化趨勢(shì)圖，趨勢(shì)線表明波長(zhǎng)波寬比在植株群上游先變大后逐漸減小，與沙波波高沿程變化趨勢(shì)類似。波長(zhǎng)波寬比沿程變化亦有一個(gè)臨界值。波長(zhǎng)、波寬隨流速增大逐漸變大，說(shuō)明同一沙波的波長(zhǎng)沿程變化幅度先大于波寬的變化幅度，之后又逐漸小于波寬的變化幅度，除去一些特殊點(diǎn)，波長(zhǎng)波寬比始終大于１，即波長(zhǎng)始終大于等于波寬。從圖７（ｅ）中可以看出在植株群下游的沙波數(shù)量突然變少，這是因?yàn)橹仓耆合掠嗡畲蠓葴p小，流速大幅度增大，沙波形態(tài)逐漸消亡，一段距離后水深逐漸恢復(fù)至植樹(shù)前的水深，流速亦逐漸減小，河床底部再次產(chǎn)生沙波形態(tài)。

２．３ 基于ＭＩＫＥ２１ 的有機(jī)玻璃棒繞流運(yùn)動(dòng)分析

物理試驗(yàn)對(duì)水槽流場(chǎng)的觀測(cè)難以保證連續(xù)性，且觀測(cè)結(jié)果受限于各種外界條件的影響，無(wú)法得到一個(gè)較準(zhǔn)確完整的水槽流速分布及變化，故此處基于ＭＩＫＥ２１ 軟件對(duì)水槽水流的流場(chǎng)變化進(jìn)行水動(dòng)力數(shù)值模擬，可以得到更加直觀的流場(chǎng)分布，更全面地分析模型樹(shù)周圍的流場(chǎng)變化，為進(jìn)一步研究沙波的模擬計(jì)算做基礎(chǔ)。ＭＩＫＥ２１ 是一個(gè)專業(yè)的工程軟件包，在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能。為了更全面直觀地研究水槽中的流場(chǎng)變化， 本文基于ＭＩＫＥ２１ 水動(dòng)力模塊（ＨＤ）對(duì)有機(jī)玻璃棒的繞流運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行仿真模擬，從微觀角度更加細(xì)致地去觀察水流流態(tài)在圓棒阻力作用下的完整變化。本模擬試驗(yàn)采用圓柱體模擬剛性挺水植株，并分別設(shè)計(jì)了單圓柱體、并排雙圓柱體、３ 個(gè)圓柱體３ 種水流繞流運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬方案（模擬結(jié)果如圖８ 所示，不同顏色及其顏色的深淺程度代表不同的流速范圍）。

結(jié)合現(xiàn)有的研究成果，從流體力學(xué)角度分析，每一棵模型樹(shù)實(shí)際上就是一個(gè)邊界條件極為復(fù)雜的柱體。圓柱體形體阻力、阻水范圍與拖曳力的存在，使有機(jī)玻璃棒迎流面一段范圍的流速降低，從圖８（ａ）中可以看出，有機(jī)玻璃棒周圍流速分布為層式分布，類似蠟燭火焰的分布形式。最內(nèi)側(cè)即緊貼圓柱體一層為藍(lán)色層，距離圓柱體越近、顏色越深、速度越小，其中顏色最深處流速小于０．０９６ ｍ／ ｓ。整個(gè)圓柱體周圍的流速分布呈拖曳狀。在順?biāo)鞣较?，圓柱體兩側(cè)各有一半圓形紅色流速區(qū)，流速大于等于０．１７６ ｍ／ ｓ。結(jié)合已有試驗(yàn)結(jié)果可知，水流在圓柱體的前駐點(diǎn)速度為０，水流沿圓柱體兩側(cè)流動(dòng)，水流壓力在圓柱體前半部分慢慢減小，流速逐漸增大到最大值，故圓柱體兩側(cè)有紅色流速區(qū)，并大于來(lái)水流速。隨著水流向圓柱體后半部分流動(dòng)，水流壓力慢慢增大，流速逐漸減小，當(dāng)水流到達(dá)圓柱體背流面駐點(diǎn)時(shí)，流速重新變?yōu)椋啊?/p>

圓柱體周圍泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)隨流態(tài)變化而變化，泥沙顆粒在圓柱體周圍有部分沉積，但由于流速減少范圍較小，且考慮到有機(jī)玻璃棒在水中來(lái)回振動(dòng)作用，實(shí)際中植株群前流速并不為０，植株群前、后流速差異并不十分顯著，因此并未觀察到明顯的泥沙沉積現(xiàn)象。由于模型樹(shù)兩側(cè)的流速增大，因此迎流面波長(zhǎng)逐漸增大。沙波運(yùn)動(dòng)到模型樹(shù)前時(shí)，受樹(shù)形阻力作用與水流作用，波寬增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。圖７（ｅ）中顯示波長(zhǎng)波寬比在植株群內(nèi)逐漸減小，這是因?yàn)椴▽捵兓却笥诓ㄩL(zhǎng)的變化幅度，但植株群后的沖刷使波長(zhǎng)波寬比又突然增大。圓柱體兩側(cè)流速加快，泥沙顆粒起動(dòng)數(shù)量變多，運(yùn)動(dòng)速度加快，有沖刷趨勢(shì)，故沙波波高有降低趨勢(shì)。

當(dāng)２ 個(gè)圓柱體并排同時(shí)存在于水流中時(shí)，如圖８（ｂ）所示，有２ 個(gè)拖曳狀流速分布區(qū)并行存在，２ 個(gè)圓柱體中間流速增大的范圍變大，但流速增大幅度變小，表明由于兩邊水流的對(duì)沖，消耗了一部分動(dòng)能，流速增大的速度變緩，但速度增大范圍較單圓柱體整體變大，對(duì)沙波影響范圍亦增大。

當(dāng)３ 個(gè)圓柱體同時(shí)存在于水流中時(shí)，如圖８（ｃ）所示，由于第二排圓柱體的阻力作用，第一排平行放置的２ 個(gè)圓柱體間流速增大范圍較圖８（ｂ）變小。同時(shí)，受第一排兩個(gè)圓柱體背流面流速變化的影響，第二排圓柱體兩側(cè)流速增大范圍亦變小。此時(shí)沙波變化較復(fù)雜，整體波高呈減小趨勢(shì)，波寬迅速增大。

從圖７ 中可看出，植株群范圍內(nèi)波長(zhǎng)逐漸增加，迎流面與背流面波長(zhǎng)比逐漸增大，相比較波長(zhǎng)波寬比的變化不是很顯著，并有減小的趨勢(shì)。結(jié)合圖８（ｃ）流速分布圖，從流速解釋該變化現(xiàn)象，前后排圓柱體周圍流速整體偏大，故水流可帶起更多泥沙顆粒，整體偏沖刷態(tài)勢(shì)。模型樹(shù)形體阻力等的存在，使波寬、波長(zhǎng)增大的同時(shí)波高逐漸減小，但由于本試驗(yàn)中模型樹(shù)密度較小，因此沙波并未消失。

考慮到有機(jī)玻璃棒在水中來(lái)回振動(dòng)，植株群前流速并不為０，植株群前、后流速差異并不顯著，因此圓柱繞流形成的復(fù)雜條件導(dǎo)致沙波波峰高度并不十分顯著。但是模型樹(shù)周圍的流速增大，導(dǎo)致迎流面波長(zhǎng)逐漸增大。沙波運(yùn)動(dòng)到模型樹(shù)前時(shí)，受模型樹(shù)的樹(shù)形阻力作用與水流作用，波寬增長(zhǎng)速度變快。圖７（ｅ）中顯示波長(zhǎng)波寬比在植株群內(nèi)逐漸減小，這是因?yàn)椴▽捵兓却笥诓ㄩL(zhǎng)變化幅度，但植株群后的沖刷使波長(zhǎng)波寬比又突然增大。

２．４ 植樹(shù)前后對(duì)比分析

采用ｓｐｓｓ 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)玻璃水槽中植樹(shù)前后０ ～３ ｍ之間的沙波形態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本ｔ 檢驗(yàn)分析，分別選取植樹(shù)前４５ 組沙波與植樹(shù)后５６ 組沙波，判斷植樹(shù)條件變化對(duì)上游沙波形態(tài)變化的影響程度，結(jié)果見(jiàn)表１、表２。

表１ 是植樹(shù)前后沙波波高、波寬、波長(zhǎng)、迎流面與背流面波長(zhǎng)比、波長(zhǎng)波寬比試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯觯矘?shù)前后沙波數(shù)目相差不多，即植樹(shù)對(duì)上游沙波數(shù)目影響并不顯著。波寬、波長(zhǎng)的平均值植樹(shù)前均略大于植樹(shù)后；與之相反，波高與波長(zhǎng)波寬比植樹(shù)后均顯著大于植樹(shù)前，迎流面與背流面波長(zhǎng)比則基本相同。

從標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)看，波高、波寬、迎流面與背流面波長(zhǎng)比、波長(zhǎng)波寬比均是植樹(shù)后顯著大于植樹(shù)前，說(shuō)明植樹(shù)后數(shù)據(jù)變得更加紊亂，即模型樹(shù)的存在使沙波多種形態(tài)數(shù)據(jù)的離散程度變大。但是波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差在植樹(shù)后略大于植樹(shù)前，說(shuō)明植樹(shù)后波長(zhǎng)數(shù)據(jù)離散程度變化不大。

波高、波寬、波長(zhǎng)的萊文方差等同性檢驗(yàn)的顯著性均大于０．０５，即判斷植樹(shù)前后兩總體為方差齊性，選擇假定等方差ｔ 檢驗(yàn)，迎流面與背流面波長(zhǎng)比、波長(zhǎng)波寬比的萊文方差等同性檢驗(yàn)的顯著性均小于０．０５，即判斷植樹(shù)前后兩總體為方差非齊性，選擇服從修正自由度的不假定等方差ｔ 檢驗(yàn)。

波高、波長(zhǎng)波寬比的Ｓｉｇ．（雙尾）均小于０．０１，說(shuō)明這兩種沙波形態(tài)在植樹(shù)前后有顯著差異。波寬、波長(zhǎng)、迎流面與背流面波長(zhǎng)比的Ｓｉｇ．（雙尾）均大于０．０１，說(shuō)明植樹(shù)前后無(wú)顯著差異。

從圖６ 可以看出，植樹(shù)前沙波集中出現(xiàn)在０ ～３．０ ｍ范圍內(nèi)，而植樹(shù)后則沿程均出現(xiàn)沙波形態(tài)，說(shuō)明植樹(shù)對(duì)河床沙波影響顯著。在自然河流內(nèi)種植植物后，應(yīng)該重視河床沙波形態(tài)的變化，進(jìn)而對(duì)河道自然條件下河床沖淤演變規(guī)律進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)，對(duì)于合理安排河流兩岸經(jīng)濟(jì)技術(shù)活動(dòng)，保證擬建設(shè)工程安全并發(fā)揮應(yīng)有的效益至關(guān)重要。

結(jié)合表１ 的數(shù)據(jù)，可判斷出植樹(shù)對(duì)沙波形態(tài)的影響。植樹(shù)條件的變化對(duì)沙波波寬、波長(zhǎng)、迎流面與背流面波長(zhǎng)比無(wú)顯著影響。但是，上游波高與波長(zhǎng)波寬比受植樹(shù)條件影響較大，植樹(shù)后波高與波長(zhǎng)波寬比顯著增加，沙波輪廓更加明顯，河床形態(tài)更加復(fù)雜。

３ 結(jié)論

１）沙波的各項(xiàng)要素受植樹(shù)情況影響較大，沿程變化具有一定的規(guī)律性，從變化趨勢(shì)上看各有區(qū)別。

２）ＭＩＫＥ２１ 水動(dòng)力模型的模擬結(jié)果表明，在植株群范圍內(nèi)，水流條件復(fù)雜，沙波受植株形體阻力與阻力范圍影響顯著。

３）獨(dú)立樣本ｔ 檢驗(yàn)表明，植樹(shù)后波高、波長(zhǎng)波寬比顯著增大，沙波輪廓更加明顯。

４）泥沙群體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，目前研究還很不充分，尤其是放入植株群后使問(wèn)題更加復(fù)雜。進(jìn)行更深入的研究，除需要用先進(jìn)的測(cè)量手段、儀器和大量的模型試驗(yàn)外，還需要合理選擇參數(shù)并積累豐富可靠的實(shí)測(cè)資料。

５）本文未對(duì)沙波形態(tài)變化進(jìn)行數(shù)值模擬分析，今后將進(jìn)一步研究，結(jié)合更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)沙波變化規(guī)律，得出相應(yīng)的計(jì)算公式和適用的計(jì)算方法，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際工程中的泥沙問(wèn)題。

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