含植物河道紊流結(jié)構(gòu)研究

白如雙

(錦州市北鎮(zhèn)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，遼寧 錦州 121300)

含植物河道紊流結(jié)構(gòu)研究

白如雙

(錦州市北鎮(zhèn)市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，遼寧 錦州 121300)

自然河流中，水生植物的生長(zhǎng)使河道中的紊流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了改變。普通明渠紊流中，含植物河道水體摻混劇烈，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于紊流結(jié)構(gòu)對(duì)河流泥沙、營(yíng)養(yǎng)物等的輸送轉(zhuǎn)移造成直接影響，因此，加大對(duì)含植物河道紊流結(jié)構(gòu)的研究力度十分必要。文章通過(guò)分析含植物河道紊流平均流速、紊動(dòng)特性和擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行深入研究，并適當(dāng)給出建議，以期解決水土流失和河道生態(tài)問(wèn)題。

含植物河道;紊流結(jié)構(gòu);平均流速;流動(dòng)類(lèi)型;建議

植物是河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，植物可以改變水流阻力，可以抬高河道水位，造成河流紊動(dòng)摻混作用家居，河道中推移質(zhì)以及泥沙數(shù)以等發(fā)生相應(yīng)的改變，想要對(duì)水土流失和河道生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行研究就必須了解和研究含植物河道紊流結(jié)構(gòu)。河道紊流是由于河流流速脈動(dòng)引起水層間相互作用，造成渦旋后引起橫向和豎向水體不斷交換，進(jìn)而帶動(dòng)能量與熱量的交換。

1 含植物河道紊流平均流速

有研究指出，河流的縱向流速與水深分布已經(jīng)不再遵循傳統(tǒng)對(duì)數(shù)率，出現(xiàn)了流速分區(qū)現(xiàn)象，且較為明顯[1]。中國(guó)學(xué)者立足于植物的生態(tài)作用，將挺水植物水蕨與沉水植物菖蒲栽種于水槽中，等植物生長(zhǎng)穩(wěn)定后方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。飾演的粗結(jié)論沉水植物的垂線(xiàn)總線(xiàn)流速分布是：以植物頂端為拐點(diǎn)，呈現(xiàn)反的“S”型，而挺水植物，則為非淹沒(méi)狀態(tài)，因此，沉水植物的流速變化則是以莖干以及枝葉分叉處為拐點(diǎn)，莖干下的流速逐漸增大，枝葉上則會(huì)由于枝葉間的摩擦消耗流動(dòng)能量，導(dǎo)致流速減小。由此可見(jiàn)，沉水植物條件下的流速分布與一般規(guī)律吻合，但是挺水植物條件下的流速出現(xiàn)了根莖以上流速減小的情況，者也許是由于所選植物水蕨在根莖上方長(zhǎng)出分叉的枝葉，擺動(dòng)的枝葉增加了水流的阻力，進(jìn)而使河流的流速逐漸減小。其實(shí)，從整體上來(lái)看，縱向平均流速沿整個(gè)水深的分布，難以用統(tǒng)一的函數(shù)規(guī)律進(jìn)行描述，因?yàn)?，這會(huì)受到植物條件下流速分布和其他參數(shù)的影響，如：植物條件，包含：植物密度、植物形狀、植物硬度、植物分布方式等；水流條件，包括：河流斷面平均流速、植物淹沒(méi)度等。采用水流和植物條件的不同，所得到的流速分布特點(diǎn)也不同。

當(dāng)前存在兩區(qū)劃分和三區(qū)劃分2種方式。所謂兩區(qū)劃分，主要是指以植物頂部為界限，植物頂部以下受到的植物阻力較大，則流速逐步減小，植物頂部以上流速分布與對(duì)數(shù)旅相吻合，這種劃分方法簡(jiǎn)單清晰，但是沒(méi)有充分體現(xiàn)出植物頂端附近訊在的平均流速拐點(diǎn)。隨著時(shí)代的發(fā)展和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的研究者認(rèn)為，以三區(qū)劃分的方式更為科學(xué)合理。所謂三區(qū)劃分，就是指植物根莖部流速梯度小，植物頂部附近區(qū)域流速分布出現(xiàn)拐點(diǎn)，植物外層區(qū)域流速梯度較大，且與對(duì)數(shù)分布規(guī)律相適應(yīng)。

整體來(lái)看，以上研究已經(jīng)擴(kuò)展到了影響流速分布的各因素研究，如：植物排列方式、植物幾何形狀、植物淹沒(méi)度。今后各位學(xué)者研究的重點(diǎn)應(yīng)該放在如何確定植物特性和水流特性等個(gè)影響因素與平均流速之間的關(guān)系上。

2 含植物河道紊流紊動(dòng)特性

與無(wú)植物狀況相比較，含植物明渠紊動(dòng)特性有一個(gè)明顯的特點(diǎn)：植物層與非植物層的交界處會(huì)產(chǎn)生劇烈的剪切作用。主要的紊動(dòng)特性，則有：紊動(dòng)強(qiáng)度、紊動(dòng)耗散、能量平衡以及雷諾應(yīng)力，在含植物河道中，雷諾應(yīng)力以及紊動(dòng)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生較大的改變，總結(jié)各方研究結(jié)發(fā)現(xiàn)，紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力最大值應(yīng)該在植物頂部與非植物區(qū)的交界處，且植物的剛度、枝葉、淹沒(méi)度大小以及密度大小等都會(huì)對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力造成一定的影響。

生態(tài)河流概念下，水流紊動(dòng)與水生植物之間的交換研究越來(lái)越受到研究者的關(guān)注，某些研究者以模擬真實(shí)植物的方式，對(duì)水流文動(dòng)特性進(jìn)行了深層次的研究。這些學(xué)者立足于、幾何相似準(zhǔn)則以及弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則，同時(shí)根據(jù)植物的真實(shí)集合特性、力學(xué)的特性，模擬了植物水槽試驗(yàn)，對(duì)有葉植物和無(wú)葉植物下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，最終從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)，有葉植物紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置較高，但無(wú)葉植物紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在植物頂端。在此基礎(chǔ)上，研究者還在水槽中通過(guò)種植真實(shí)柔性沉水植物來(lái)進(jìn)行研究比對(duì)，實(shí)驗(yàn)表明，挺水植物紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力最大值出現(xiàn)在莖干和枝葉分叉處，但是沉水植物的紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在植物頂端、植物頂端靠上的區(qū)域內(nèi)，與此同時(shí)，水流條件下挺熟植物紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力最大值比沉水植物大出許多。

另外，還有學(xué)者基于熵概念，刻畫(huà)了含淹沒(méi)剛?cè)嶂参镂闪魈匦浴Ｊ紫?，研究者利?ADV、PIV分析出了渦量場(chǎng)分布，進(jìn)而將其特征引出并開(kāi)展擬熵來(lái)研究，研究水流能量耗散機(jī)理[2]。由于紊流特征擬熵是瞬時(shí)渦量場(chǎng)的函數(shù)，與紊流耗散率成正比例關(guān)系。因此，含植物河道水流特征擬熵增大，其最大值在植物冠層頂端附近，且流量越大，最大值越大。在相同流量下，剛性植物所得最大值比柔性植物最大值大2-5倍。由此可見(jiàn)，剛性植物與柔性植物相比，柔性織物水流能量損失比剛性植物少。利用這種從能量消耗上研究植物水流紊動(dòng)性特征的方法還應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析。

還有一部分研究者利用鴨毛模擬灌木、塑料吸管模擬喬木、塑料草模擬野草，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，最終得出結(jié)論：不同灘地植物作用下，水流紊動(dòng)特性同的結(jié)論。在灘地種植植物以后，水流的紊動(dòng)強(qiáng)度會(huì)在縱向、橫向上都有明顯增加，且增加大小相近。研究者經(jīng)過(guò)分析研究后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這一情況的主要原因是：復(fù)式明渠主槽與灘地之間水流動(dòng)量交換加劇，使橫向紊動(dòng)強(qiáng)度加大。另外，由于河灘種植植物大部分是非淹沒(méi)狀態(tài)，紊動(dòng)強(qiáng)度沒(méi)有最大值拐點(diǎn)情況，主要是呈S型分布。研究灘槽交換與植物同時(shí)作用的紊流結(jié)構(gòu)可以對(duì)河灘綜述生態(tài)修復(fù)工程進(jìn)行指導(dǎo)與修正。

3 含植物河道紊擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

不管從流速高階矩刻畫(huà)來(lái)看，還是從渦的直接描述看，研究者采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)但部分集中在單點(diǎn)測(cè)量中，雖然單點(diǎn)測(cè)量可以得到定量數(shù)據(jù)，但是無(wú)法對(duì)紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行清晰的反映，特別是擬序結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的植物區(qū)與非植物區(qū)交界處，由此可見(jiàn)，紊流結(jié)構(gòu)的類(lèi)型判定十分困難[3]。研究者在研究過(guò)程中得出結(jié)論：垂向上分為三區(qū)流動(dòng)類(lèi)型，但各研究者針對(duì)各區(qū)的劃分位置和劃分方位各不相同。例如：Nezu認(rèn)為,挺水區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：近床面呈反梯度流速，尾流速?gòu)?qiáng)烈；混合層區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：混合層厚度與淹沒(méi)度相關(guān)、清掃占主導(dǎo)；對(duì)數(shù)區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：流速與對(duì)數(shù)律分布一直，噴射占主導(dǎo)。Nepf認(rèn)為，低冠層區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：紊流隨著單獨(dú)植物的根莖產(chǎn)生，且尺度與植物直徑相當(dāng)，紊動(dòng)能較小；植物剪切區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：滲透深度保持恒定，且柔性植物下出現(xiàn)Monami現(xiàn)象；邊界層區(qū)的紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳統(tǒng)對(duì)數(shù)分布規(guī)律一致。

4 對(duì)含植物河道紊流建構(gòu)的建議

文章針對(duì)含植物河道紊流結(jié)構(gòu)的研究，提出幾點(diǎn)建議：

1)對(duì)植物條件下擬序結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理和發(fā)展過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步研究。即利用場(chǎng)與點(diǎn)的綜合測(cè)量法，對(duì)粗發(fā)現(xiàn)象的噴射角、噴射高度以及猝發(fā)頻率進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)和計(jì)算分析，并對(duì)擬序渦的運(yùn)動(dòng)周期、運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)尺度等進(jìn)行刻畫(huà)。同時(shí)對(duì)相干結(jié)構(gòu)和非相干結(jié)構(gòu)之間的依存變化進(jìn)行綜合分析。

2)對(duì)植物排列方式、植物幾何形狀、紊流統(tǒng)計(jì)特征、紊流擬序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、植物淹沒(méi)度等對(duì)紊流結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行綜合比較，判斷各個(gè)因素的影響程度。這些研究成果對(duì)于植物生態(tài)修復(fù)工程中，紊流控制、植物種類(lèi)選擇等方面具有指導(dǎo)作用。

3)由于有部分天然河流存在一定的彎曲度，二次環(huán)流的作用與前兩種作用同時(shí)發(fā)生時(shí)，其紊流結(jié)構(gòu)需要研究者進(jìn)行更細(xì)致的分析與研究。同時(shí)，由于在自然河流中存在大量河灘植物，則在植物和非植物區(qū)交換、灘槽交換同時(shí)作用的情況下，紊流結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，研究者應(yīng)該對(duì)局部植物條件下紊流機(jī)理和類(lèi)型進(jìn)行更深層次的研究[4]。

4)含植物河道水動(dòng)力特征的研究成果大部分是通過(guò)室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)來(lái)得出結(jié)果，因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中大部分采用金屬制造或者是塑料制造的簡(jiǎn)單模型植物，模型渠道斷面主要以矩形斷面為主，很少出現(xiàn)復(fù)式斷面，這些情況與實(shí)際河流相比，還是存在一定的差異性[5]。且植物的生物力學(xué)特性會(huì)隨著季節(jié)的改變而產(chǎn)生改變，如生長(zhǎng)形態(tài)和柔韌度灰隨著季節(jié)的改變而產(chǎn)生改變。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，研究者應(yīng)該在室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外原型觀(guān)測(cè)，充分考慮植物生長(zhǎng)以及河道實(shí)際情況，解決室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究誤差較大的問(wèn)題[6]。

5 結(jié) 語(yǔ)

總而言之，含植物河道文流結(jié)構(gòu)與植物幾何特性、密度、水流速度、水流強(qiáng)度以及水流淹沒(méi)度等有密切聯(lián)系，對(duì)其產(chǎn)生影響的因素較多，再加上文流結(jié)構(gòu)成因復(fù)雜，導(dǎo)致含植物河道紊流結(jié)構(gòu)的研究難度加大。針對(duì)此，研究人員應(yīng)該從河道實(shí)際情況出發(fā)，選用合理的測(cè)量方法，綜合分析結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)對(duì)渦旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究。另外，在自然河流中存在較多的河灘植物，應(yīng)該注意植物區(qū)與非植物區(qū)、河灘與河槽之間的交換，從宏觀(guān)的角度對(duì)含植物河道文流結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對(duì)水土流失和河道生態(tài)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的思考。

[1]曹載宏.生態(tài)聯(lián)鎖式護(hù)坡技術(shù)在河道護(hù)坡工程中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014(01)：51-53+59.

[2]李新芝，王小德.論城市河道中直立式護(hù)岸改造模式[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2009(06)：60-63.

[3]張書(shū)濱，陳靜.南昌市烏沙河整治中的生態(tài)設(shè)計(jì)[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2009(05)：19-21+46.

[4]劉紅麗，王洪軍，張樹(shù)國(guó)，等.防洪工程生態(tài)護(hù)坡芻議[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2008(06)：44-45.

[5]田曉靜，高金超，王迎風(fēng).防洪河道生態(tài)護(hù)坡工程探析[J].黑龍江水利科技，2009(06)：97-98.

[6]趙鵬程，陳東田，劉雪，等.河道生態(tài)建設(shè)的技術(shù)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(08)：291-295.

Study on Turbulent Structure of River Course Containing Plants

BAI Ru-shuang

(Beizhen Urban Water Conservancy Investigation & Design Team，Beizhen 121300，China)

The growth of aquatic plants changes the turbulent structure of river course in the natural rivers. Water body of river course containing with plants mixed intensely in ordinary open-channel turbulent with complex structure，the structure of turbulent affected directly transmission of the river sediment and nutrients，therefore，it is necessary to strength the research of turbulent structure of river course mixed with plants. By analyzing the mean velocity of vegetated channel turbulent，the turbulence characteristics and coherent structure characteristics，this paper supplies suggestions to solve the problems of soil and water erosion and ecology of river course.

river course containing plants; turbulent structure; mean velocity; type of flowing;suggestion

1007-7596(2016)12-0020-03

2016-11-24

白如雙(1966-)，男，遼寧錦州人，工程師，從事水利工程規(guī)劃勘測(cè)、整編、水利工程建設(shè)與管理工作。

TV

B