含植物明渠水流水力特性研究綜述

周嘉禾 鄧敬宏

（重慶交通大學(xué)， 重慶 400000）

0 引言

植物是河流生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，并且隨著近年來(lái)“生態(tài)河流”概念的提出，水生態(tài)保護(hù)得到了前所未有的重視，含植物明渠水流水力特性的研究也引起了越來(lái)越多人的關(guān)注。由于植物的存在，河道水流阻力、水流結(jié)構(gòu)均發(fā)生較大變化，泥沙輸運(yùn)和底沙再懸浮受明顯影響，這些都在減緩水土流失、凈化水質(zhì)等方面起著重要的作用i。鑒于此，含植物明渠水流水力特性的研究便尤為重要，這將為河流環(huán)境治理帶來(lái)巨大的生態(tài)效益。

1 含植物明渠水流水力特性研究發(fā)展

1.1 含植物明渠水流阻力特性研究

植被對(duì)明渠水流阻力影響的相關(guān)研究主要通過(guò)水力學(xué)方法或力學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，多以物理模型試驗(yàn)為主，并于原型觀測(cè)相結(jié)合。研究一般圍繞以下兩種假設(shè)及參數(shù)進(jìn)行：

（1）將植被與河床當(dāng)成整體，利用以Manning 系數(shù)n 為代表的阻力系數(shù)作為描述水流阻力的特征值；

（2）將植被看成障礙物，用植物拖曳力系數(shù)，又稱植物阻力系數(shù)Cd來(lái)描述。

1.1.1 Manning 系數(shù)n

早在20 世紀(jì)中旬，國(guó)外學(xué)者就通過(guò)野外觀測(cè)和室內(nèi)含淹沒(méi)植被水流試驗(yàn)對(duì)含植物明渠水流阻力特性研究進(jìn)行了初步探索。最早研究的學(xué)者是Ree 和Chow 等。Ree 研究發(fā)現(xiàn) 隨水深增大而減小。Chow 通過(guò)將Manning 系數(shù) 作為水流阻力的特征值，分析總結(jié)出基于不同植物的n-VR 曲線，如此，利用植物類型、水流平均垂線流速和水力半徑3 個(gè)參數(shù)即可在曲線上查出相應(yīng)的n 值。該方法在早期的研究和工程中得到廣泛應(yīng)用，但同樣有一定的局限性， Kouwen 等在其研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步確定了適用范圍， n-VR 曲線在剛性植被較高度較小和底坡小于5%的情況下是不適用的。Kouwen 研究表明淹沒(méi)植物對(duì)水流的阻力作用與植物本身的力學(xué)特性以及水流流態(tài)均有關(guān)，并據(jù)此提出了含淹沒(méi)柔性植物水流阻力計(jì)算關(guān)系式，并進(jìn)一步總結(jié)出以植物剛度和偏轉(zhuǎn)高度為參數(shù)的Manning 糙率系數(shù)半經(jīng)驗(yàn)公式，與n-VR 曲線相比，此公式建立了糙率系數(shù)和植物力學(xué)特性的聯(lián)系。

20 世紀(jì)60 年代，學(xué)者們開(kāi)始研究植被分布與密度等對(duì)水流阻力的影響。Hsiehii和Liiii等在矩形水渠試驗(yàn)中利用圓柱模擬植被，研究其波形態(tài)及其紊動(dòng)特性，檢驗(yàn)淹沒(méi)植被水流阻力特性。研究表明，植被密度會(huì)對(duì)水流流速產(chǎn)生影響，同時(shí)水流阻力會(huì)隨著植被密度的增加而增大，水流平均流速與水力半徑之積VR 和n 具有一定的函數(shù)關(guān)系。Petrykiv等在其研究基礎(chǔ)上根據(jù)均勻流曼寧公式與受力平衡方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化水流流動(dòng)模型，推導(dǎo)出R、n、植被分布密度以及無(wú)植被時(shí)水渠底面邊界糙率nb的函數(shù)關(guān)系，從理論上提出了含Manning 系數(shù)n 的估算公式。

20 世紀(jì)60 年代，學(xué)者們開(kāi)始研究植被分布與密度等對(duì)水流阻力的影響。Hsieh 和Li 等在矩形水渠試驗(yàn)中利用圓柱模擬植被，研究其波形態(tài)及其紊動(dòng)特性，檢驗(yàn)淹沒(méi)植被水流阻力特性。研究表明，植被密度會(huì)對(duì)水流流速產(chǎn)生影響，同時(shí)水流阻力會(huì)隨著植被密度的增加而增大，水流平均流速與水力半徑之積VR 和n具有一定的函數(shù)關(guān)系。Petryk 等在其研究基礎(chǔ)上根據(jù)均勻流曼寧公式與受力平衡方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化水流流動(dòng)模型，推導(dǎo)出R、n、植被分布密度以及無(wú)植被時(shí)水渠底面邊界糙率n_b 的函數(shù)關(guān)系，從理論上提出了含Manning 系數(shù)n 的估算公式。

國(guó)內(nèi)對(duì)含植物河道水流阻力特性的研究起步相對(duì)較晚，21 世紀(jì)初，學(xué)者在國(guó)外研究基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，取得了一系列研究成果。

李艷紅v將含植物水流沿水深方向分為植物冠層區(qū)、過(guò)渡區(qū)及冠層以上區(qū)三個(gè)區(qū)域，通過(guò)曼寧公式計(jì)算得出Manning 系數(shù)沿水深呈倒“S”型變化的結(jié)論。吳福生vi研究了含柔性植物明渠水流在不同淹沒(méi)度時(shí)Manning 系數(shù)與柔性植物的偏轉(zhuǎn)角度的變化規(guī)律，并對(duì)比含淹沒(méi)剛、柔性植物明渠水流的Manning 系數(shù)變化情況，在一定條件下推導(dǎo)出了當(dāng)量Manning 系數(shù)公式。唐洪武vii提出了“等效水力參數(shù)”概念，建立等效綜合Manning 糙率系數(shù)和等效植物附加Manning 系數(shù)的計(jì)算公式。

1.1.2 阻力系數(shù)Cd

研究Manning 系數(shù)n 時(shí)，植物與河床常假設(shè)為一個(gè)整體，適用邊壁阻力主導(dǎo)的水流條件；而當(dāng)植物高度較高且水流較淺時(shí)，僅研究n 存在較大誤差，于是相關(guān)學(xué)者將此種情形下的植物看成障礙物，通過(guò)水流動(dòng)量平衡關(guān)系得到的植物阻力系數(shù)Cd來(lái)描述阻力特性。

早期研究從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始，將單株植物視為挺立在水流中的光滑圓柱體形障礙物，如Trittonviii通過(guò)觀察石英纖維在雷諾數(shù)范圍為0.5～100 內(nèi)氣流中的彎曲情況來(lái)測(cè)量阻力，并將其與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。由于現(xiàn)實(shí)河道中植物絕大多數(shù)以群體形式生長(zhǎng)，LIix研究發(fā)現(xiàn)直接應(yīng)用單株植物阻力系數(shù)與植物數(shù)相乘的方式來(lái)計(jì)算群體阻力會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果雨實(shí)際情況有較大誤差，并得出是由于忽略了水流紊動(dòng)影響以及尾流遮蔽效應(yīng)的結(jié)論。Taninox等采用水槽試驗(yàn)分析了剛性沉水植物隨機(jī)布置時(shí)植物阻力系數(shù)與雷諾數(shù)以及植物密度的關(guān)系，得出1 組不同試驗(yàn)條件下植物阻力系數(shù)的取值范圍。Stonexi等在Tanino 研究基礎(chǔ)上，將流量設(shè)置為定值，研究植被削減水流斷面引起的水流流速增大的影響。

與Manning 系數(shù)研究類似，部分學(xué)者分析了植物密度、布置方式對(duì)Cd的影響。Nepfxii采用梅花形布置剛性挺水木棒進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Cd隨植物密度的增大而減小，Zukauskasxiii等將這種現(xiàn)象概括為遮蔽效應(yīng)。Stone 在Nepf 研究基礎(chǔ)上，通過(guò)布置梅花形剛性沉水木棒，得出Cd隨著植物密度增大而增大的結(jié)論。Busarixiv將其解釋為植物的“通道效應(yīng)”，即當(dāng)一株植物在另一株植物的橫流方向時(shí)過(guò)水?dāng)嗝鎸p小，部分勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，導(dǎo)致植物前后壓力差增大，于是Cd呈增大趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)對(duì)于阻力系數(shù)Cd的研究起步相對(duì)更晚，大部分研究工作是在2010 年之后開(kāi)展。曾玉紅xv采用應(yīng)力計(jì)對(duì)非淹沒(méi)剛性植被的流動(dòng)阻力、不同水深條件下的植被拖曳力進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)非淹沒(méi)剛性植被的流動(dòng)阻力與速度的平方成正比, 阻力系數(shù)Cd受雷諾數(shù)和能量底坡影響較大。唐洪武xvi開(kāi)展進(jìn)一步的研究，通過(guò)建立動(dòng)量平衡模型分析含淹沒(méi)剛性植物水流試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得了植物群的阻力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。吳龍華與楊校禮xvii分析了不同水流條件下單株挺水植被狀態(tài)和阻力系數(shù)之間的關(guān)系，并研究相同水流條件下不同種類、生長(zhǎng)期的挺水植被對(duì)水流阻力的影響，發(fā)現(xiàn)植被相對(duì)剛度與阻力系數(shù)Cd大小成正比。

1.2 含植物明渠水流結(jié)構(gòu)特性研究

在不同種類植物的影響下，河道水流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)極大變化，多以三維流動(dòng)的形式呈現(xiàn)。植物對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響多體現(xiàn)在流速、紊動(dòng)特性沿垂線分布的各向異性上，進(jìn)而對(duì)河道泥沙輸移、底沙再懸浮產(chǎn)生影響xviii。因此，研究植物對(duì)水流結(jié)構(gòu)特性影響有重要意義。

1.2.1 水流流速垂線分布

由于植物影響，明渠水流流速垂線分布多呈各向異性，并存在分區(qū)規(guī)律。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者大多采用三區(qū)劃分的觀點(diǎn)，其中以Kouwen 的結(jié)論為主。

20 世紀(jì)70 年代，Kouwen 等學(xué)者針對(duì)柔性沉水植物的水力特性問(wèn)題進(jìn)行明渠試驗(yàn)水槽研究，最終將水流運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)區(qū)域：1.植物內(nèi)部區(qū)（H/h＜1）2.過(guò)渡區(qū)（H/h＝1）3.上部區(qū)（H/h＞1），其中，H 為水深，h 為植物高度xix，各水動(dòng)力區(qū)域的流速分布均有不同。Carollo 等xx利用ADV 流速儀對(duì)淹沒(méi)狀態(tài)下的大米草不同植被密度、流量和水槽坡度的局部流速進(jìn)行研究，得出在3 個(gè)水動(dòng)力區(qū)域中，平均流速垂線分布均呈S 形的結(jié)論。時(shí)鐘等xxi利用Nixon 微流儀對(duì)狐尾藻屬與黑藻屬兩種沉水草本進(jìn)行研究，得出：（1）平均流速垂線分布絕大多數(shù)不滿足對(duì)數(shù)關(guān)系；（2）每個(gè)平均流速垂線分布包括冠層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、內(nèi)部區(qū)3 個(gè)水動(dòng)力區(qū)域，同時(shí)可能存在內(nèi)部邊界層、外部邊界層2 個(gè)邊界層的水動(dòng)力特性，進(jìn)一步證明Kouwen 的結(jié)論。

1.2.2 水流紊動(dòng)特性

明渠水流紊動(dòng)特性對(duì)水體層之間的物質(zhì)輸移及擴(kuò)散有較大的影響，其中以泥沙輸移與再懸浮規(guī)律為主；同時(shí)，在水流脈動(dòng)過(guò)程中常伴隨能量交換，所以研究水流紊動(dòng)特性是河道水環(huán)境治理的重點(diǎn)環(huán)節(jié)xxii。

評(píng)價(jià)明渠水流紊動(dòng)特性的參數(shù)多以紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力以及能量損耗率為主。由于植物的影響，含植物水流紊動(dòng)參數(shù)分布結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者同樣以分區(qū)域的方式進(jìn)行研究。

陳界仁等xxiii利用LDV 流速儀設(shè)備選取模擬仿生植物在可變坡水槽進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，參數(shù)均進(jìn)行無(wú)量綱化，試驗(yàn)表明含植物明渠水流的紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力在垂線分布上有類似的規(guī)律，在植物上部區(qū)域（H/h＞1）均出現(xiàn)最大值，并隨水深增加其紊動(dòng)特性逐漸減小，而在植物內(nèi)部區(qū)（H/h＜1）隨水深增加而顯著增加，即在靠近冠層區(qū)域植物對(duì)水流紊動(dòng)特性影響最大，存在強(qiáng)烈的剪切作用與能量交換。Lopez 等xxiv通過(guò)建立湍流模型研究了植物對(duì)明渠水流紊動(dòng)動(dòng)能、能量損耗率等的影響，并通過(guò)水槽試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論。Wilson 等xxv通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)兩種柔性沉水植物研究，得出植物彎曲剛度與拖曳力-流速的量化方程以及植物葉片表面積與植物-水流上部區(qū)、內(nèi)部區(qū)的動(dòng)量傳遞規(guī)律。李艷等xxvi在前人研究結(jié)論基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立流速垂線分布經(jīng)驗(yàn)公式：

1.研究總結(jié)及展望

在近70 年的研究與發(fā)展中，含植物明渠水流水力特性問(wèn)題主要圍繞水流阻力與結(jié)構(gòu)特性開(kāi)展試驗(yàn)，其研究成果已廣泛應(yīng)用，植物對(duì)減少水土流失、降低泥沙輸移與再懸浮程度有較大作用。根據(jù)前人研究成果，以下問(wèn)題仍需進(jìn)一步探討：

（1）含植物明渠水流水力特性相關(guān)試驗(yàn)成果多通過(guò)定坡、矩形斷面的室內(nèi)水槽試驗(yàn)得出，有一定局限性。在實(shí)際情況中，河道斷面多呈各向異性，比降、水頭損失均沿程變化。因此，在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)前，可根據(jù)野外原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)一步設(shè)計(jì)水槽斷面、沿程參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果。

（2）在植物選取情況上，已有研究多以單個(gè)植物種類為主，極少涉及植物復(fù)合群落；同時(shí)，植物自身特性呈季節(jié)變化態(tài)勢(shì)。對(duì)此，后續(xù)可圍繞挺水、浮水、沉水植物復(fù)合作用下的水力特性進(jìn)行研究，建立植物群落-水流的動(dòng)態(tài)關(guān)系。