剛性雙層植物河道水流垂向流速分布試驗(yàn)研究

郝文龍，朱長(zhǎng)軍，郝振純

剛性雙層植物河道水流垂向流速分布試驗(yàn)研究

郝文龍1，朱長(zhǎng)軍2，郝振純1

（1.河海大學(xué) 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 210000；2.河北工程大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

天然河道中植物高低不等，為了研究在淹沒(méi)條件下含剛性雙層植物河道的水流流速垂向分布規(guī)律，試驗(yàn)在矩形平底水槽中，采用PVC圓柱棒對(duì)剛性植物進(jìn)行模擬，用三維多普勒超聲測(cè)速儀（ADV）對(duì)流速進(jìn)行測(cè)量，分析在兩種不同高度植物存在的情況下流速的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）高棒之后區(qū)域的流速分布曲線存在4個(gè)拐點(diǎn)，分布曲線分為5個(gè)部分，各部分水流特性各不相同。（2）短棒之后的區(qū)域的流速分布曲線存在3個(gè)拐點(diǎn)，分布曲線分為4個(gè)部分。這兩個(gè)區(qū)域的流速分布曲線的形狀在短棒之上、高棒之下的部分有所不同，其他部分大體相似。（3）短棒之下的水流速度大小不盡相同，但在高棒之上的水流流速分布逐漸收斂于一條對(duì)數(shù)曲線上，高棒之上的水流流速分布符合無(wú)植物水流水面附近的流速分布情況。

矩形水槽；剛性雙層植物；流速分布

研究水流通過(guò)植物的復(fù)雜現(xiàn)象可以更好地理解其中所涉及到的物理現(xiàn)象，植物的存在可以提高河岸的穩(wěn)定性，減少河岸侵蝕的現(xiàn)象發(fā)生，對(duì)污染物濃度的降低和減少洪水災(zāi)害的發(fā)生都有重要意義。目前，很多科學(xué)工作者都在進(jìn)行這方面的研究，工作主要集中在以下幾個(gè)方面：在不同植物布置情況下，通過(guò)計(jì)算拖曳系數(shù)來(lái)量化流體阻力，并建立有關(guān)于植物密度和雷諾應(yīng)力的函數(shù)[1-3]；通過(guò)試驗(yàn)分析流速和紊動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律來(lái)加深理解這種物理過(guò)程[4-6]；還有很多研究人員在均勻排列的植物條件下建立了預(yù)測(cè)平均流速和紊流結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型[7-9]；Liu等[10]采用兩種高度不同的丙烯酸樹(shù)脂材料的圓棒模擬剛性植物，對(duì)雙層植物的流速分布、紊動(dòng)強(qiáng)度分布和輸水阻力特性進(jìn)行了研究，并給出了其分布規(guī)律；王雯、槐文信[11]對(duì)剛性淹沒(méi)雙層植被明渠水流特性進(jìn)行研究，給出了雙平均條件下的明渠流速、雷諾應(yīng)力及紊動(dòng)能分布，并對(duì)紊動(dòng)能平衡方程中的各項(xiàng)進(jìn)行了分析。但是，這些研究都主要集中在淹沒(méi)或非淹沒(méi)狀態(tài)下的單一類型植物的研究。由于植物的類型和水流的流動(dòng)條件不同，實(shí)際河岸環(huán)境中不同植物的淹沒(méi)度也不盡相同。正是因?yàn)閷?shí)際環(huán)境中這些復(fù)雜因素的存在增加了河流環(huán)境的不穩(wěn)定性，所以本文采用了兩種不同高度的圓棒模擬剛性植物進(jìn)行了水槽實(shí)驗(yàn)并分析了流速的變化規(guī)律。

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1 試驗(yàn)概況

為了更加全面地考慮實(shí)際河道中植物對(duì)水流的影響，本次研究在水槽中用兩種高低不同的圓棒模擬了剛性植物對(duì)河道水流影響的試驗(yàn)。

圖2 圓棒布置示意圖Fig.2 Sketch map of cylindrical rods

模擬試驗(yàn)是在河北工程大學(xué)水利館中進(jìn)行的，用變坡水槽對(duì)天然河道進(jìn)行模擬，水槽長(zhǎng)7 m，寬0.5 m，高0.5 m，水槽兩側(cè)為玻璃壁面，底面鋪滿了大小不一的小石子，水槽下方設(shè)置著升降螺桿，可以對(duì)水槽的坡度進(jìn)行調(diào)節(jié)。水槽進(jìn)水部位設(shè)置了進(jìn)水閥門和消能柵，消能柵對(duì)水流有一定的緩沖作用，水流穩(wěn)定后進(jìn)入水槽。水槽尾部設(shè)置閘門，調(diào)節(jié)閘門的開(kāi)度可以對(duì)水槽的水位進(jìn)行控制。為了對(duì)水位進(jìn)一步嚴(yán)格地控制，在水槽水流方向上設(shè)置了兩個(gè)水位計(jì)。變坡水槽布置如圖1所示。

天然植物形態(tài)各異，特性復(fù)雜，而且難以在水槽中進(jìn)行固定。因此，試驗(yàn)采用PVC圓棒對(duì)天然剛性植物進(jìn)行模擬，圓棒有兩種規(guī)格，一種是直徑D=1 cm，高h(yuǎn)v=8 cm，另一種是直徑D=1 cm，高h(yuǎn)v=4 cm。

為了減小水流的擾動(dòng)，底坡坡度為0.001，水流的Fr比較小。試驗(yàn)采取的布置方式如圖2所示。種樹(shù)帶長(zhǎng)3 m，流速的測(cè)量采用三維多普勒超聲測(cè)速儀（ADV）從槽底部1 cm開(kāi)始測(cè)量至水面，測(cè)量垂線的位置如圖2所示。

表1 試驗(yàn)水力學(xué)特征參數(shù)及植物特征參數(shù)Tab.1 Parameters of the hydraulic characteristics and plant characteristics

布置方式水力學(xué)參數(shù)及植物特征參數(shù)見(jiàn)表1所示。表中：

式中U為水流平均流速；h為平均水深；v為水流運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3所示是雙層植物在明渠水流中各測(cè)量垂線的流速分布圖，z是從水槽底部到測(cè)量點(diǎn)的高度，由圖可以看出，在短棒高度之下的流速分布中，水流相對(duì)比較自由的區(qū)域（測(cè)量垂線2、4、7、9）速度是最大的，而最小的水流速度出現(xiàn)在圓棒的下游區(qū)域（測(cè)量垂線1、5、8、11、12），在圓棒的上游區(qū)域（測(cè)速垂線3、6、10），水流的速度接近最大流速和最小流速的中間值。

圖3 雙層植物各垂線流速分布圖Fig.3 Velocity profiles of double layer vegetation downstream

短棒高度之上的流速增長(zhǎng)要比短棒高度之下的流速增長(zhǎng)速度要快，這是因?yàn)楦甙舻牟贾帽容^稀疏，短棒的布置密度比較大，短棒高度之上的區(qū)域水流阻力較小，水流的流動(dòng)更加自由。由圖3可以看出，雖然每條測(cè)量垂線有不同的初始速度，但在高棒之上的水流區(qū)域流速分布逐漸收斂于一條對(duì)數(shù)曲線上，高棒之上的水流流速分布符合半對(duì)數(shù)分布。

圖4（a）和（b）分別是高棒下游區(qū)域（測(cè)速垂線5、11）和短棒下游區(qū)域（測(cè)速垂線1、8、12）試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖，而圖5是其速度分布的一個(gè)典型線分布圖。從圖5曲線（a）可以看出，曲線存在4個(gè)拐點(diǎn)，流速分布大體可以分為5個(gè)區(qū)域，接近水槽底部的拐點(diǎn)發(fā)生在點(diǎn)A，點(diǎn)A之下的區(qū)域?yàn)檎承缘讓訁^(qū)域，在短棒之下附近處有一個(gè)流速的拐點(diǎn)B，AB段流速隨著高度的增加基本保持不變，說(shuō)明在此區(qū)域內(nèi)切應(yīng)力和重力的作用相互平衡。在短棒之上的流速分布存在一個(gè)極小值點(diǎn)C，BC段流速隨著高度的增加而減小，這是因?yàn)樵诟甙糁蟮母浇鼌^(qū)域有高棒的阻擋，對(duì)水流的流速有一定的阻礙作用，再往上到CD段之后，阻擋作用減小，流速隨著高度的增加開(kāi)始變大，直到高棒頂端。D點(diǎn)以上，流速隨著高度的增加以較穩(wěn)定的斜率增加，高棒之上的水流流速分布符合無(wú)植物水流水面附近的流速分布情況。

圖4 圓棒下游垂線流速分布圖Fig.4 Velocity profiles of cylindrical bar downstream

圖5 植物區(qū)域典型流速分布圖Fig.5 Typical velocity profiles of vegetation area

短棒下游區(qū)域的流速分布如圖4（b）所示，此區(qū)域短棒之下的流速分布和（a）的略有不同，這和高棒和短棒的長(zhǎng)度比和圓棒的密度有關(guān)系。從圖5曲線（b）可以看出，曲線存在3個(gè)拐點(diǎn)，流速分布大體可分為4個(gè)區(qū)域，接近水槽底部的拐點(diǎn)發(fā)生在點(diǎn)A，點(diǎn)A之下的區(qū)域?yàn)檎承缘讓訁^(qū)域，在短棒之下附近處有一個(gè)流速的拐點(diǎn)B，AB段流速隨著高度的增加基本保持不變，這和圖5曲線（a）是相似的。在圖5中BD段，曲線（b）沒(méi)有曲線（a）的C點(diǎn)，流速隨著高度的增加一直增加到高棒頂端，這是由于，（a）中由于高棒的阻擋，流速有一個(gè)減小的過(guò)程，而（b）中高棒對(duì)此區(qū)域的影響已經(jīng)可以忽略不計(jì)，流速的增加是持續(xù)的。D點(diǎn)以上，流速隨著高度的增加以較穩(wěn)定的斜率增加，這和曲線（a）中D點(diǎn)之上的分布也是相似的，水流流速分布符合無(wú)植物水流水面附近的流速分布情況。

3 結(jié)論

高棒之后的流速分布曲線分為五個(gè)部分，矮棒之后的流速分布曲線分為四個(gè)部分，各部分的流速特性不同。整體上看，高棒和矮棒之后的區(qū)域都存在一個(gè)粘性區(qū)域?qū)?，再往上，隨著高度的升高，流速變化不是很明顯。在矮棒頂端到高棒頂端這個(gè)高度范圍內(nèi)，兩者的分布曲線不同，高棒之后的分布曲線存在一個(gè)拐點(diǎn)，隨著高度的增加，流速先變小，在達(dá)到一個(gè)極小值點(diǎn)后，流速開(kāi)始變大，而矮棒之后的分布曲線不存在拐點(diǎn)，隨著高度的升高，流速變大。在高棒高度以上，兩者的流速分布曲線相似，流速隨高度的增加以較穩(wěn)定的斜率增加，高棒之上的水流流速分布符合無(wú)植物水流水面附近的情況。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Experimental Study on Vertical Distribution of Flow Velocity in Vegetated Channel

HAO Wenlong1,ZHU Changjun2,HAO Zhenchun1

(1.State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210000, China;2. College of Energy and Environmental Engineering, Hebei University of Engineering, Hebei Handan, 056038)

In the experimental study on vertical distribution of flow velocity in double layer vegetated channel, PVC cylindrical rods are simulated as a rigid vegetation. Three-dimensional ultrasonic Doppler speedometer ADV is used to measure velocities in different locations of the rectangular flume. The results show that：(1) the velocity profile behind tall rods exists four inflection points that divide the velocity profile curve into five parts. And the flow characteristics of each part are not identical. (2) the velocity profile behind short rods existes three inflection points that divide the velocity profile curve into four parts. The shapes of velocity profile between the height of tall rods and short rods are different and other parts are generally similar.(3) the velocities under the height of short rods are different, but velocity profile at all locations above the tall rods can appear to converge onto a single logarithmic profile with a slip velocity, which is consistent with the velocity distribution near the water surface of the non-vegetated layer.

rectangular flume; double layer rigid vegetation; distribution of flow velocity

TV8

A

1673-9469（2017）01-0057-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.013

2016-11-11

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0402704）

郝文龍（1988-），男，河北邯鄲人，博士，研究方向?yàn)樗奈锢硪?guī)律模擬及水文預(yù)報(bào)。