單株淹沒植被剛度及其阻力特性研究

摘要：通過水槽試驗，利用有機玻璃片模擬單株植被，探究明渠中淹沒單株植被剛度對水流阻力的影響。水流阻力通過測量水槽上下游兩個固定斷面的水頭損失來體現(xiàn)。植被剛度對水頭損失值的影響可分為植被粗糙區(qū)和植被光滑區(qū)。在植被粗糙區(qū)內，水頭損失值受流量與植被剛度雙重影響，水頭損失值與流量呈正相關，水頭損失值與植被剛度也呈正相關。在植被光滑區(qū)內，水頭損失值與植被剛度無關，僅與流量呈正相關。對同一流量而言，水頭損失值隨著植被剛度的增大而先增大后減小。各組流量的臨界剛度值隨著流量的增大而增大。

關鍵詞：單株植被；剛度；水頭損失；臨界剛度線

中圖分類號：Q948.15+3；S422 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4515-04

植被作為水生態(tài)中的一個重要組成部分在天然河道中大量存在。河道中的植被可分為淹沒植被和挺水植被。其中淹沒植被是指植被高度常年低于河流水平面的植被，淹沒植被的存在對河流的水力特性產生了不可忽視的影響。傳統(tǒng)的明渠水力特性研究忽略了河道中植被的存在。隨著人們對水生態(tài)環(huán)境的日益重視，人們逐漸認識到淹沒植被對河流水力特性的影響。早期的研究都是局域水槽試驗研究結合原型觀測，用傳統(tǒng)的測試方法，將植被簡化成剛性圓柱體來研究其阻力特性，將水流視為恒定均勻流來進行研究[1]。閆靜等[2]采用圓柱鋁棒模擬剛性植被進行水槽試驗，利用激光流速儀（LDV）對非淹沒和淹沒植被明渠流場進行了測量，分析得到植被非淹沒條件下的平均流速可以表示為流量、渠寬、水深和植被密度的函數(shù)，分析了植被對明渠流速分布的影響，在植被淹沒條件下，很難用統(tǒng)一的函數(shù)來描述平均流速沿水深的分布。這些研究選取的材料都是剛性的，忽視了對柔性植被的研究。槐文信等[3]利用三維多普勒超聲測速儀（ADV）研究了淹沒柔性植被明渠恒定水流特性。通過對不同植被密度、不同淹沒度和不同流量條件下柔性植被明渠恒定水流流速場進行測試，得到了植被淹沒情況下縱向流速和雷諾應力沿垂向的分布。王澤等[4]通過水槽試驗分別研究了在沉水植物水蕨和挺水植物富貴竹兩種植被作用下的突擴式明渠水流特性，采用聲學多普勒測速儀測量突擴前后不同垂線、不同測點的瞬時流速，計算得出時均流速分布，分析其變化特征，探討了突擴明渠中植被對水流內部結構的影響。王曉燕[5]通過物理模型試驗，從宏觀角度將植被分為完全剛性和不同程度的柔性時，通過引入表征植被剛度的無因次數(shù)（F），探討了同樣密度不同植被剛度時F與植被阻力系數(shù)和糙率系數(shù)的關系?；趪鴥韧鈱＜覍W者在這一領域的研究成果不難看出，雖然人們對該研究方向日益重視，研究成果日趨成熟，能為實際明渠中植被影響的研究提供指導，但是，在這些試驗中，為了避免單株植被對水流產生影響過小不易直接發(fā)現(xiàn)的特點，往往都是在水槽中設置多株模擬植被來進行處理。這就帶來了一系列問題，因為各株植被之間可能有著相互作用而產生的擾動。這樣得到的植被對于明渠水力特性的影響將會存在一定的誤差。對此，筆者通過水槽試驗，研究了單株植被對明渠水力特性的影響。

1 試驗裝置及研究方法

1.1 試驗裝置的設計

試驗水槽裝置如圖1所示，水槽寬度為29.5 cm，高度為45.0 cm，在水槽中間位置設置一處有機玻璃板插口。在插口上游、下游5 m出口處分別設置測針測量水位。水槽的坡度為0.003 5，水槽的供水系統(tǒng)為自循環(huán)系統(tǒng)，入口端設有直徑為1.5 cm的花墻，由水槽下面的離心泵調節(jié)流量，在保持流量恒定的情況下，通過調整尾門開度對水槽水深進行調節(jié)，使其來流均勻、平穩(wěn)，為試驗提供穩(wěn)定的來流條件。水槽流量通過直角三角堰進行測量（直角三角堰安裝在水箱外圍），單位為m3/s；三角堰的水位用水位測針進行測量。

本試驗采用有機玻璃薄片來模擬不同剛度的植被，其中所有有機玻璃彈性模量均為0.26×109 Pa。Kouwen等[6]和Nepf 等[7]提出，定義植被的抗彎剛度（J）為植被彈性模量（E）和慣性矩（I）的乘積，即J=IE[7]。有機玻璃薄片垂直豎立在圖1水槽中的底板上，a為有機玻璃薄片高度，均為15.0 cm，b為有機玻璃薄片寬度，均為3.0 cm，T為有機玻璃薄片厚度，分別為0.50、0.75、1.45、2.00、2.55、4.60 mm。試驗中單株植被用矩形有機玻璃代替。采用下列慣性矩計算公式[8]：

2 結果與分析

水槽中安放植被后，水流受到水槽以及植被對于水流的共同作用，水頭損失也將發(fā)生改變，對此，可以理解為單株植被的存在使得水槽的邊界條件發(fā)生改變。筆者將水頭損失的改變值Δhw作為植被對水流阻力的影響。以下探究不同剛度的植被在不同流量下對水流阻力的影響。表1中Aj（i分別取2、3、4、5、6、7）指在同一流量A不同剛度下所得的數(shù)據(jù)組合（j=2代表植被厚度為0.50 mm所對應的植被剛度），以此類推可得不同流量下的數(shù)據(jù)組合。h1為水槽上游水頭，h2為水槽下游水頭，hw指單株植被存在下總水頭損失值。F根據(jù)式（2）求得，用來表征植被抗彎曲的能力，Δhw為單株植被凈水頭損失值，弗勞德數(shù)（Fr）以及雷諾數(shù)（Re）根據(jù)水力學公式依次求出[9]。

從表1數(shù)據(jù)中可以看出，本試驗中表征植被剛度的無因次數(shù)（F）隨著剛度的增大而減小，且不同厚度植被之間的F相差較大，因而選擇F的對數(shù)的負數(shù)作為坐標系的橫坐標，Δhw為縱坐標，橫坐標從左向右植被剛度仍然是一次性增大的。將同一流量的不同點用折線相連，如圖2所示。從圖2可以看出，流量越大，Δhw～-lgF的關系趨勢線越高。即在相同剛度下，流量越大，水頭損失越大，因而同一株植被在水流中的流速越大對水流阻力的影響越明顯。對每條趨勢線進行分析，發(fā)現(xiàn)當流量相同時，在一定區(qū)域內，水頭阻力隨著植被剛度的增大而明顯增加。流量越大，這種現(xiàn)象越明顯。水頭阻力不會隨植被剛度的改變產生較大波動。流量過小時，當植被剛度達到某一定值時，幾乎看不出水頭損失隨著植被剛度的增加產生的變化。

產生以上現(xiàn)象的原因是：在安放有單株植被的水槽中，對于每個流量Q1，均存在一種臨界單株植被，其表征剛度的量為F1。從圖3中觀測可得，F(xiàn)1與Q1呈正相關。在Δhw～-lgF中，將每組流量試驗時的臨界單株植被的F1用光滑的曲線相連，稱其為臨界剛度線。臨界剛度線可以將圖3分為兩部分，曲線的左側區(qū)域在圖3中標為Ⅰ區(qū)，定義其為植被粗糙區(qū)；曲線的右側區(qū)域在圖3中標為Ⅱ區(qū)，定義其為植被光滑區(qū)。

在植被粗糙區(qū)中，水槽中安放的植被剛度小于臨界植被剛度，即F>F1，植被造成的水頭阻力損失隨著植被剛度的增加而明顯增加。此時，水頭損失同時受水流流量和植被剛度的雙重影響。

在植被光滑區(qū)中，水槽中安放的植被剛度大于臨界植被剛度，即F

在本試驗中觀測到，并不是所有的模擬植被都能在水流中保持直立狀態(tài)，還有存在部分彎曲、倒伏的現(xiàn)象。試驗的邊界效應以及尺寸效應會對整個試驗結果造成一定的誤差。例如，用原有植被高度來計算其剛度已經(jīng)對試驗結果造成了誤差，應該用其彎曲或倒伏后的有效高度進行計算。對于植被有效高度，還有待進一步研究。

3 結論

1）在水槽試驗中，雖然單株植被產生的阻力影響較小，但采用上下游水頭損失表征對水流的影響是可行的。

2）植被粗糙區(qū)內，水頭損失同時受水流流量和植被剛度的雙重影響，且均為正相關。植被光滑區(qū)內，水頭損失與植被剛度無關，僅與流量呈正相關。

3）流量越大，水頭損失與植被剛度的關系線越高。對于同一流量，水頭損失隨著植被剛度的增加而先增大后減小。各組流量的臨界剛度值隨著流量的增大而增大。

4）試驗過程中，各組試驗的植被還存在直立、彎曲及倒伏等的差異，植被的有效高度直接用玻璃薄片的高度來代替，會給試驗數(shù)據(jù)帶來一定的誤差。植被的彎曲程度對其水流阻力特性的影響有待進一步研究。

參考文獻：

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