人工生態(tài)浮島對明渠流水動力特性的影響研究

李 仟，孟 明，軒曉博，阮 翔，周雯晶

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

0 引言

人工生態(tài)浮島是以可漂浮材料作為漂浮載體，在其上種植水生植物或改良的陸生植物，用于污染水體的水質(zhì)凈化和生態(tài)修復的漂浮結構，由浮島植物、浮島平臺、固定系統(tǒng)組成[1]。生態(tài)浮島不僅能夠凈化水質(zhì)修復水環(huán)境，還具有提供動植物生長環(huán)境、改善水體景觀、消浪護岸等綜合作用[2-3]，在河道生態(tài)修復與水環(huán)境治理工程中得到了廣泛的應用[4-5]。

目前關于人工生態(tài)浮島的研究大都關注了其水質(zhì)凈化和污水處理能力[6-7]。人工生態(tài)浮島凈化水質(zhì)、修復營養(yǎng)化水體是一個植物和微生物相互協(xié)同作用的復雜過程，通常認為其凈化水質(zhì)的機理主要有[8-9]：植物本身對氮磷等營養(yǎng)鹽的吸收富集，植物發(fā)達根系的物理吸附和沉淀，根系中微生物的吸收降解，根系泌氧，浮島的遮光克藻作用，水生生物吸收或填料的吸附作用。人工生態(tài)浮島通過水面的漂浮體和水中的植被根系影響水流結構，改變了明渠原有的流速分布和紊動特性。近年來已有一些研究從水動力學的角度分析人工生態(tài)浮島對水流結構的影響，關注含生態(tài)浮島的明渠水流的時均流速分布和紊動特性。Rao L et al.(2014)[10]研究了不同流速、浮島覆蓋度、布置位置對含浮島明渠水流結構的影響，認為浮島的覆蓋度不宜過大，且需將浮島布置在盡量遠離河岸的位置。Yu et al.(2019)[11]采用圓形玻璃棒和玻璃板來模擬生態(tài)浮島結構，基于實測數(shù)據(jù)提出了三層模型來描述充分發(fā)展狀態(tài)的縱向流速垂向分布規(guī)律。Li et al.(2019)[12]將生態(tài)浮島水流分為上部的植被區(qū)和下部的無植被區(qū)，建立了縱向流速和雷諾應力的垂向分布解析模型。總體來講，對人工生態(tài)浮島的研究多集中于水質(zhì)凈化方面，而針對其水動力特性的研究還較少，尤其是含生態(tài)浮島的明渠水流的時均流速分布和紊動特性方面的研究，還處于起步階段，相關理論體系尚未成熟。

在河道修復工程中，通常將生態(tài)浮島以塊狀或圓形狀布置在河道不同位置，形成不連續(xù)分布的浮島結構。浮島沿程的不均勻分布，使得水流在縱向上不再為均勻流，浮島區(qū)域與其上下游的水流結構有很大差異，時均流速和紊動特性沿程不斷變化，進而影響生態(tài)浮島的水質(zhì)處理與水體生態(tài)修復。本文為了研究不連續(xù)分布浮島結構對明渠水流水動力特性的影響，在實驗室內(nèi)開展試驗，研究了浮島結構對其上下游水流結構的影響，分析了水流平均流速及紊動特性的沿程變化規(guī)律，可以為河道生態(tài)修復與水環(huán)境治理工程提供科學依據(jù)與理論指導。

1 試驗研究

試驗在矩形順直循環(huán)玻璃水槽中進行，水槽長15m，寬0.6m。水槽進水口處設有穩(wěn)流裝置，保證入流的平穩(wěn)，水槽出口處通過尾門調(diào)節(jié)水深，采用閥門和流量計對流量進行控制和計量。試驗所用浮島結構長寬均為60cm，采用泡沫板和圓木棒來模擬人工生態(tài)浮島，其中泡沫板模擬浮體結構，在泡沫板上打孔并插上剛性圓木棒來模擬浮島植物的水下根區(qū)。泡沫板厚度為3cm，圓木棒直徑D為0.4cm，侵入水體的木棒高度為hf=11cm，木棒線性布置，縱向間距和橫向間距均為4cm。

采用ADV對水流的三維流速進行測量，得到的流速數(shù)據(jù)(u，v，w)分別對應縱向、橫向及垂向瞬時流速。在浮島上切割出適當大小的孔隙，試驗中ADV探頭可透過孔隙放入水中并沿垂向自由移動。浮島及流速測線布置如圖1所示，定義x方向為水流方向，y方向為橫向，z方向為垂向，設浮島覆蓋區(qū)域前緣為x=0。在浮島上游140cm范圍內(nèi)布置4條流速垂向測線，在浮島區(qū)布置4條測線，在浮島下游350cm范圍內(nèi)布置7條垂向測線。在每條流速測線上布置多個測點，測點垂向間距為0.5～1cm。三組工況的流量Q=12L/s，水深H=20cm。

圖1 浮島及流速測線布置圖

2 時均流速分析

對于連續(xù)分布的浮島水流，Ai et al.(2020)[13]將其分為上游調(diào)整區(qū)、分流區(qū)、剪切層發(fā)展區(qū)和充分發(fā)展區(qū)。而長度有限的單個浮島結構，與連續(xù)的浮島結構有很大的不同，水流在浮島覆蓋區(qū)域得不到充分發(fā)展便進入下游無浮島區(qū)域。Tseung et al.(2016)[14]通過水槽試驗和數(shù)值模擬的方法研究了有限長度漂浮冠層水流，并將其沿程分為上游調(diào)整區(qū)、過渡區(qū)和尾流區(qū)?；谝陨系难芯?，本文將單個浮島結構水流沿縱向分為上游影響區(qū)、浮島區(qū)和下游影響區(qū)。上游影響區(qū)為位于浮島上游且受浮島結構影響的區(qū)域；浮島區(qū)即浮島覆蓋的水流區(qū)域；下游影響區(qū)為位于浮島下游且受其影響的區(qū)域。上游影響區(qū)、浮島區(qū)、下游影響區(qū)長度分別用Lu、Lf和Ld表示。同時為了便于分析，將水流在垂向上分為浮島層(z/hg>1)和間隙層(z/hg<1)兩部分。

2.1 縱向流速

圖2為試驗得到的不同位置處的縱向流速的垂向分布情況，可以看出，在遠離浮島的上游處(x=-140cm)，流速近似為明渠流的對數(shù)分布，表明此處尚未受浮島結構的影響。自x=-100cm處開始，水流受到下游浮島結構的影響，靠近水面處的流速迅速減小，且越接近浮島區(qū)，流速減小的程度越大。進入浮島區(qū)后，大量水流由上部的浮島層向下部的間隙層轉移，間隙層流速沿程不斷增大，而浮島層流速則沿程先增大后減小，流速在垂向上呈現(xiàn)出先增大后減小的分布規(guī)律。在下游影響區(qū)，水流開始恢復，表現(xiàn)為浮島層的流速沿程增大，而間隙層的流速沿程減小；流速的垂向分布由浮島水流中先增大后減小逐漸向明渠流的對數(shù)分布規(guī)律過渡。受試驗條件所限，測量的最末端斷面x=350cm處仍屬于浮島的下游影響范圍，流速尚未完全恢復至明渠流的對數(shù)分布，因此可以斷定本試驗的下游影響區(qū)長度大于2.9m，即Ld>4.83Lf。

圖2 不同縱向位置的流速垂向分布(a)上游影響區(qū)(b)浮島區(qū)(c)(d)均位于下游影響區(qū)

圖3為深度平均縱向流速的沿程變化，圖中采用深度平均流速Ud對浮島層深度平均流速uf和間隙層深度平均流速ug進行無量綱化，采用浮島長度Lf對縱坐標x進行無量綱化，圖中虛線表示浮島區(qū)的上下游邊界?？梢钥闯觯u層深度平均流速在上游影響區(qū)和浮島區(qū)均沿程減小，在下游影響區(qū)則沿程增大；間隙層深度平均流速則與之相反，在浮島區(qū)及其上游沿程增大，在下游則逐漸減小。受浮島結構的影響，浮島層和間隙層流速的相對大小沿程不斷變化：在遠離浮島的上游處，浮島層流速uf大于間隙層流速ug，兩者的比值uf/ug約為1.19；在上游影響區(qū)，隨著浮島層流速的減小和間隙層流速的增大，uf/ug沿程不斷減??；在浮島區(qū)中部約為x=28cm處，uf/ug=1；之后流速比值uf/ug繼續(xù)沿程減小，在x=70cm處，達到最小值uf/ug=0.74；此后隨著uf的沿程增大和ug的沿程減小，uf/ug開始增大，在下游影響區(qū)的某一位置處，浮島層流速uf將再次增大到與間隙層流速ug相等，根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)可以推測該位置約為x=380～400cm處。

圖3 深度平均流速的沿程變化

目前關于上游影響區(qū)的長度尚沒有一致的研究結論。Rominger and Nepf(2011)[15]研究發(fā)現(xiàn)，挺水植被水流中的上游影響區(qū)長度與植被密度無關，與植被寬度成正比，約為植被寬度的2倍；Tseung et al.(2016)[14]認為漂浮冠層水流中上游影響區(qū)長度約為漂浮冠層長度的1.09倍；Ai et al.(2020)[13]則認為浮島水流中上游影響區(qū)的長度為水深的2倍。由圖3可以得出，本試驗中實測的上游影響區(qū)的長度Lu≈1.67Lf。

本試驗雖未實測出下游影響區(qū)長度Ld值，但基于圖3中流速沿程變化的實測數(shù)據(jù)，可以推斷出該區(qū)域的長度約為460～480cm，即下游影響區(qū)的長度Ld=7.7Lf-8.1Lf。Tseung et al.(2016)[14]認為漂浮冠層對下游的影響區(qū)域為尾流區(qū)，并將其分為穩(wěn)定尾流區(qū)和速度恢復區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)尾流區(qū)長度與冠層單元密度無關，約為漂浮冠層長度的7—8倍；Liu et al.(2019)[16]通過試驗發(fā)現(xiàn)生態(tài)浮島的下游影響區(qū)長度通常為浮島結構長度的6.5—7.5倍，可見本文的結論與前人的研究結果較為吻合。

2.2 垂向流速

浮島結構的存在，使得水流由浮島層向間隙層轉移，因此有必要研究垂向流速的分布規(guī)律。圖4為不同縱向位置垂向流速w的垂向分布情況。由實測流速分布可以看出，在浮島區(qū)，垂向流速沿垂向先增大后減小，在浮島底部達到最大值，x越大，垂向流速值越小，這與Tseung et al.(2016)[14]在有限長度的漂浮冠層下的研究結論一致。

圖4 不同縱向位置垂向流速的垂向分布(a)浮島區(qū)(b)上游影響區(qū)與下游影響區(qū)

在上游影響區(qū)和下游影響區(qū)，垂向流速沿垂向沒有太大變化，且垂向流速值明顯小于浮島區(qū)，x=-10cm處和x=70cm處的深度平均垂向流速值分別為x=38cm處的48%和36%。在上游影響區(qū)，x=-100cm位置的垂向流速小于x=-10cm處垂向流速；在下游影響區(qū)，x=-250cm位置的垂向流速小于x=70cm處的垂向流速值，說明越靠近浮島區(qū)垂向流速越大。

3 紊動特性分析

3.1 雷諾應力

圖5展示了不同縱向位置雷諾應力的垂向分布情況?？梢钥闯?，在上游影響區(qū)，雷諾應力沿垂向近似線性減小，在河床底部最大，在水面處近似為零；在下游影響區(qū)，則呈現(xiàn)出與充分發(fā)展的浮島水流的類似規(guī)律，在間隙層近似為線性分布，極大值分別出現(xiàn)在河床處和浮島底部，兩者符號相反，在浮島層則近似為指數(shù)分布；在浮島區(qū)，則表現(xiàn)為由上游向下游過渡的分布規(guī)律。

圖5 不同縱向位置雷諾應力的垂向分布

3.2 紊動強度

圖6為不同縱向位置紊動強度的垂向分布。可以看出，在浮島區(qū)，紊動強度urms在間隙層為先減小后增大，在浮島層則先增大而后沿垂向保持恒定，最后在接近水面位置迅速增大。對比不同縱向位置處的紊動強度值，間隙層的紊動強度沿程變化不大，而浮島層則沿程先增加后減少，在x=38cm處紊動強度值最大。

圖6 不同縱向位置紊動強度的垂向分布(a)浮島區(qū)(b)上游影響區(qū)與下游影響區(qū)

在上游影響區(qū)內(nèi)，與浮毯型漂浮植被水流情況類似，紊動強度值沿垂向先減小后增大，在水深中部附近為最小值，在河床底部及水面處達到最大值，且紊動強度沿程變化不大。在下游影響區(qū)內(nèi)，在距離浮島較遠的位置(x=350cm)，紊動強度沿垂向先減小后保持恒定，而距離浮島較近的位置(x=102cm)，紊動強度則沿垂向先減小后增大再減小，表現(xiàn)為由浮島區(qū)向下游區(qū)過渡的分布規(guī)律。

4 結論

本文對單個浮島結構的明渠水流開展試驗研究，研究了浮島結構對其上下游的時均流速、雷諾應力和紊動強度的分布規(guī)律的影響。結果表明：縱向流速在遠離浮島的上游處近似為對數(shù)分布，靠近浮島后水面處的流速減小，在浮島區(qū)沿垂向先增大后減小，進入下游影響區(qū)后逐漸向明渠對數(shù)分布形式過渡。浮島層深度平均流速沿程先減小后增大，間隙層深度平均流速沿程先增大后減小。雷諾應力在浮島區(qū)則表現(xiàn)為由上游向下游的過渡規(guī)律，紊動強度在浮島區(qū)內(nèi)沿垂向先減小后增大，在浮島層內(nèi)近似恒定。目前針對含生態(tài)浮島的明渠流水動力特性的研究尚不成熟，本文可以為河道生態(tài)修復與水環(huán)境治理工程提供科學依據(jù)與理論指導。