挺水植被影響下滯水區(qū)水流結(jié)構(gòu)與泥沙落淤

向 珂，楊中華

(武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072)

近年來(lái)，丁壩群常常應(yīng)用于河流廊道生態(tài)修復(fù)工程中。相鄰丁壩間的河灣通常喚作壩田，其平均流速一般是主渠流速的25%～30%[1]，因此也叫作滯水區(qū)。滯水區(qū)低流速可以有效地促進(jìn)泥沙落淤[2-3]，延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)鹽滯留時(shí)間，為水生生物提供良好的棲息環(huán)境[4]。沿景觀河道或是小型支流布置的丁壩群會(huì)形成多個(gè)滯水區(qū)，提高河流生境多樣性，為生物多樣性恢復(fù)奠定基礎(chǔ)[5]。圍繞著滯水區(qū)的水流特性，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開展了相關(guān)研究。Uijttewaal等[6]提出了判定滯水區(qū)環(huán)流模式的參數(shù)?（即空腔水域的寬長(zhǎng)比?=W/L），如圖1[7]所示。Weitbrecht等[8]采用流動(dòng)可視化技術(shù)，研究了滯水區(qū)與主渠之間的擬序渦運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)大尺度擬序結(jié)構(gòu)對(duì)這兩個(gè)區(qū)域之間的水體交換起著主宰作用。董年虎等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了不同丁壩長(zhǎng)度下的河道沖淤特性。曹艷敏[10]和Duan[11]等分別采用模型試驗(yàn)研究了單丁壩條件下的壩頭沖刷與回流區(qū)落淤問(wèn)題，并分析了流場(chǎng)的紊動(dòng)特性。Yossef等[12]研究了滯水區(qū)與主渠之間的泥沙交換過(guò)程，提出了主渠泥沙進(jìn)入滯水區(qū)的唯象模型。

圖1 寬長(zhǎng)比變化下滯水區(qū)環(huán)流模式[7]Fig.1 Circulation patterns in groyne fields with different aspect ratios[7]

自然情形中，滯水區(qū)合適的生長(zhǎng)條件會(huì)哺育一定數(shù)量的挺水植物（例如，蘆葦、香蒲等）。這些水生植物可以吸附、截留水體中的氮、磷等污染物，凈化水質(zhì)[13]；同時(shí)，還能為微生物和魚群提供棲息、繁殖場(chǎng)所，提高物種多樣性。然而，植被化滯水區(qū)水流特性的研究并不多見(jiàn)[14-15]，尤其是植被影響下的滯水區(qū)淤沙問(wèn)題。鑒于此，本文在清水條件下采用粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)測(cè)量了植被化滯水區(qū)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；另外，通過(guò)開展定床泥沙試驗(yàn)調(diào)查了植被群落對(duì)泥沙落淤的影響。

1 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)20 m，寬1 m，高0.5 m，底坡0.1%，斷面為矩形，屬于直線型明渠。自然河流一般是蜿蜒曲折的，這里的直明渠是對(duì)現(xiàn)實(shí)河道的一種理想化概括，近似代表在一定距離內(nèi)有較好順直性的河道。水渠采用自循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)水儲(chǔ)存于地下水池，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中水溫基本恒定（25℃）；進(jìn)水口通過(guò)電磁流量計(jì)控制流量，出水口通過(guò)尾門調(diào)節(jié)水深?？紤]到在天然河流中沿兩岸布置的丁壩群關(guān)于河道中心線對(duì)稱分布，本次試驗(yàn)水槽在展向上只代表從河道中心線到河岸的一半河道，與Uijttewaal[6]和Weitbrecht[8]等的處理一致。因此，只沿著整個(gè)渠道左岸等間距地布置了23個(gè)簡(jiǎn)化丁壩模型（即矩形塊），其流向尺寸（即為x方向）0.025 m，展向尺寸（即為y方向）0.20 m，豎向尺寸（即為z方向）0.12 m。相鄰丁壩的間距為0.5 m，滯水區(qū)寬長(zhǎng)比?=0.2/0.5=0.4?；趲缀蜗嗨菩訹16]，采用直徑2 mm，高12 cm的直桿竹簽?zāi)M自然河道中的剛性挺水植被或植被斑塊。參照文獻(xiàn)[8]試驗(yàn)方案，本次試驗(yàn)水深H固定在0.08 m，主渠平均流速U=0.2 m/s，對(duì)應(yīng)的主渠雷諾數(shù)Re=13 000，傅汝德數(shù)Fr=0.22。

1.1 流場(chǎng)試驗(yàn)概述

在清水條件下設(shè)計(jì)了3組工況研究植被對(duì)滯水區(qū)水流結(jié)構(gòu)的影響，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，其中，Δ為植被間距，可以通過(guò)改變?chǔ)ふ{(diào)整種群密度，如圖2所示。由于高密度工況下植被擋光現(xiàn)象嚴(yán)重，造成研究區(qū)域出現(xiàn)大量陰影區(qū)，降低測(cè)量準(zhǔn)確度，因此只選取了低密度條件作為試驗(yàn)工況。

表1 流場(chǎng)試驗(yàn)工況Tab.1 Experimental casesof flow structures

采用非介入式儀器PIV測(cè)量流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)裝置如圖3所示。選擇第13號(hào)滯水區(qū)作為研究區(qū)域，能夠保證主渠水流已充分發(fā)展紊流且混合層特性已經(jīng)趨于穩(wěn)定[1,8]。選擇z=0.05 m高程面作為代表性測(cè)量平面[17]。脈沖式激光經(jīng)過(guò)柱透鏡形成2 mm厚的水平激光片，從玻璃水槽左側(cè)照進(jìn)滯水區(qū)。高速CCD攝像機(jī)架設(shè)在空腔正上方用于記錄示蹤粒子運(yùn)動(dòng)，單次采集約1 000對(duì)連續(xù)圖像（圖像分辨率為1 600×1 192像素，空間分辨率為0.18 mm/像素，采樣頻率為5 Hz，采集時(shí)間為200 s）。利用商業(yè)軟件Insight 4G計(jì)算2維流速矢量。

圖2 植被種群密度概視圖Fig.2 Sketch of different vegetation densities

圖3 流場(chǎng)試驗(yàn)概視圖Fig.3 Sketch of experimental setup for flow structures

其算法原理是對(duì)相鄰圖像進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換（fast fourier tansformation，F(xiàn)FT）以建立標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)關(guān)系。由于壁面附近的流速梯度較大，同一脈沖間隔無(wú)法滿足該區(qū)域所有問(wèn)詢窗口的粒子位移都處于合適水平，導(dǎo)致壁面附近常常出現(xiàn)虛假速度。為了避免上述問(wèn)題，采用“面具（mask）”功能（能夠定義粒子圖像的處理范圍）剔除了近壩區(qū)域，去除范圍較小，不會(huì)對(duì)整體環(huán)流模式造成影響。流場(chǎng)網(wǎng)格初始尺寸為16×16像素，由于相鄰網(wǎng)格在x方向和y方向上各有50%的重疊，流場(chǎng)網(wǎng)格最終尺寸為8×8像素。由于相機(jī)拍攝范圍僅為29 cm×22 cm，小于滯水區(qū)尺度，因此將同一高程面上4個(gè)相鄰區(qū)域（即圖3中的1～4部分）拼接在一起以滿足50 cm×40 cm的測(cè)量要求。需要說(shuō)明的是，每個(gè)部分的流場(chǎng)結(jié)果都是1 000套瞬時(shí)流場(chǎng)的時(shí)均值，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)的瞬時(shí)流場(chǎng)序列進(jìn)行時(shí)均化處理，可以有效消除流場(chǎng)的湍動(dòng)特征，近似得到恒定流，故可以對(duì)上述4個(gè)相鄰流場(chǎng)進(jìn)行拼接處理。選擇直徑10～20μm，密度1.05 g/cm3的空心玻璃微珠（即硅酸鈉、碳酸鈉與二氧化硅的混合物）作為示蹤粒子，其對(duì)水流具有良好的跟隨性，可以如實(shí)反映水體流動(dòng)。需要強(qiáng)調(diào)的是，預(yù)實(shí)驗(yàn)階段比較了PIV與便攜式流量計(jì)的時(shí)均流速結(jié)果，兩者吻合度良好，說(shuō)明了PIV參數(shù)設(shè)置的合理性。

1.2 泥沙試驗(yàn)概述

設(shè)計(jì)了2組工況以探究植被群落對(duì)滯水區(qū)泥沙落淤的影響，試驗(yàn)工況見(jiàn)表2，其中，Qs為單位時(shí)間內(nèi)加沙質(zhì)量，T為持續(xù)加沙時(shí)間。

表2 泥沙試驗(yàn)工況Tab.2 Experimental cases of sediment deposition

采用塑料成分的模型沙作為試驗(yàn)用砂，密度ρs=1.1 g/cm3，借助激光粒度儀Microtrac S3500分析模型沙的顆粒級(jí)配曲線（圖4）。模型沙的非均勻系數(shù)φ=d75/d25=1.17，沙樣可以近似視為均勻沙，以幾何平均粒徑dm=263μm作為特征粒徑d參與泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算。

圖4 泥沙顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Grading curve of model sands

泥沙試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，在緊靠進(jìn)水口位置布置了加沙裝置。首先，泥沙和水在攪拌器中充分混合；然后，混合均勻的水沙進(jìn)入安裝在自由水面處的橫管，該橫跨水槽的PVC圓管下壁等間距設(shè)置了多個(gè)圓孔；最后，水沙分別從這些圓孔流入水槽，保證了橫斷面上來(lái)沙條件的一致性。需要說(shuō)明的是，橫管下泄的流量大約是水槽流量的1%，可以忽略不計(jì)。

圖5 泥沙試驗(yàn)概視圖Fig.5 Sketch of experimental setup for sediment deposition

由于本試驗(yàn)旨在研究無(wú)植被與有植被工況滯水區(qū)淤沙結(jié)果的差異，當(dāng)在持續(xù)加沙8 h后，發(fā)現(xiàn)植被化滯水區(qū)的淤沙形態(tài)已經(jīng)明顯不同于無(wú)植被條件，遂停止加沙并緩慢關(guān)閉主槽來(lái)流[3]。落淤泥沙自然風(fēng)干后采集試驗(yàn)結(jié)果，包括對(duì)泥沙形態(tài)拍照，收集滯水區(qū)淤沙并稱重，以及利用激光粒度儀測(cè)量沙粒級(jí)配曲線。

2 水流結(jié)構(gòu)分析

2.1 時(shí)均環(huán)流模式

圖6展示了不同工況下z=0.05 m平面上的時(shí)均流速場(chǎng)，其中Ut為流向速度與展向速度的合速度，采用U無(wú)量綱化處理。由圖6可以看到，當(dāng)滯水區(qū)內(nèi)存在植被時(shí)，無(wú)植被工況下的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)（即占據(jù)著空腔中、下游位置的主環(huán)流，與占據(jù)著空腔上游位置的次環(huán)流）變成了充滿整個(gè)滯水區(qū)的單環(huán)流結(jié)構(gòu)，這與Sukhodolov等[15]的結(jié)論一致。本文認(rèn)為植被群落的阻滯作用是環(huán)流模式發(fā)生調(diào)整的主要原因。首先，鄰近交界面的植被會(huì)阻礙下游丁壩處的高速射流進(jìn)入滯水區(qū)，這股射流被認(rèn)為是形成主環(huán)流的核心驅(qū)動(dòng)力[19]。其次，滯水區(qū)內(nèi)側(cè)植被的拖曳力會(huì)進(jìn)一步降低主環(huán)流速度，主環(huán)流被視為形成次環(huán)流的驅(qū)動(dòng)力[7]。綜上所述，植被的存在會(huì)導(dǎo)致滯水區(qū)環(huán)流強(qiáng)度大幅降低，從而沒(méi)有足夠的動(dòng)量去誘生次環(huán)流。

圖6 時(shí)均2維流速場(chǎng)（z=0.05 m）Fig.6 Time-averaged 2D streamlines (z=0.05 m)

隨著植被密度的增加，滯水區(qū)環(huán)流速度逐漸減弱，具體表現(xiàn)為：平均環(huán)流速度在無(wú)植被條件下約為0.19U，在Δ=30 mm條件下約為0.15U，在Δ=25 mm條件下約為0.13U。需要說(shuō)明的是，在對(duì)植被化滯水區(qū)開展測(cè)量時(shí)，由于植被群落的遮光效應(yīng)，測(cè)量區(qū)域會(huì)出現(xiàn)速度失真的陰影區(qū)，雖然在Insight 4G中采用了“速度驗(yàn)證”與“速度調(diào)節(jié)”模塊進(jìn)行優(yōu)化處理，但受限于算法的修正能力，仍存在小范圍瑕疵，例如，圖6（b）、（c）中，主渠區(qū)域存在少量的高速細(xì)條帶。

2.2 擬序脫落渦

圖7展示了無(wú)植被工況下z=0.05 m平面上的脫落渦歷時(shí)發(fā)展情況（合速度Ut采用U無(wú)量綱化處理）。

圖7 無(wú)植被工況脫落渦發(fā)展情況（z=0.05 m，Δt≈1 s）Fig.7 Development of shedding eddies in the non-vegetated case(z=0.05 m，Δt≈1 s)

由于交界面上游位置存在大剪切速率，丁壩頭部會(huì)脫落出小尺度渦，如圖7（a）黑圈所示。當(dāng)初生脫落渦沿剪切層向下游移動(dòng)時(shí)，會(huì)與相鄰渦體隨機(jī)地組對(duì)并發(fā)生合并；與此同時(shí)，合并產(chǎn)生的卷吸作用會(huì)將周圍水體裹挾進(jìn)來(lái)。經(jīng)過(guò)充分混合，融合成了較大尺度的合并渦，如圖7（b）～（d）黑圈所示。需要強(qiáng)調(diào)的是，在圖7（d）中，新的脫落渦（見(jiàn)小黑圈標(biāo)記）已經(jīng)生成，它同樣遵循上述發(fā)展模式。這種周期性的渦脫落與渦合并現(xiàn)象最終會(huì)在混合層形成大尺度擬序結(jié)構(gòu)。

圖8展示了Δ=30 mm工況下z=0.05 m平面上的脫落渦歷時(shí)發(fā)展情況（合速度Ut采用U無(wú)量綱化處理）。

圖8 Δ=30 mm工況脫落渦發(fā)展情況（z=0.05 m，Δt≈1 s）Fig.8 Development of shedding eddies in case Δ=30 mm(z=0.05 m，Δt≈1 s)

由圖8可知與無(wú)植被工況相似，Δ=30 mm條件下的初生脫落渦沿混合層向下游移動(dòng)時(shí)，渦體尺寸也在逐漸增大，這同樣是由于渦體合并作用造成的。通過(guò)比較圖7與8，可以發(fā)現(xiàn)Δ=30 mm工況下的合并渦尺寸明顯小于無(wú)植被工況。作者認(rèn)為是兩個(gè)方面造成了這種差異：一方面，植被群落類似一堵“約束邊界”，限制了脫落渦的自由發(fā)展；另一方面，植被的阻滯作用會(huì)抑制空腔水體進(jìn)入合并漩渦，放慢了合并渦的增長(zhǎng)幅度。

3 泥沙落淤分析

3.1 進(jìn)沙方式

圖9展示了連續(xù)加沙8 h后無(wú)植被與Δ=25 mm兩組工況下泥沙整體落淤結(jié)果。由圖9可以看到，由于丁壩群的連續(xù)挑流作用，主槽床沙很難靠近滯水區(qū)與主渠的交界面，從而無(wú)法有效地參與到這兩個(gè)區(qū)域的泥沙交換過(guò)程。主渠泥沙主要以細(xì)顆粒懸移質(zhì)形式進(jìn)入滯水區(qū)，由于滯水區(qū)水體紊動(dòng)強(qiáng)度較低[20]，無(wú)法承載懸移泥沙，懸沙會(huì)在重力作用下逐漸落淤。

圖9 泥沙整體落淤結(jié)果Fig.9 Overall resultsof sediment deposition

3.2 落淤形態(tài)

圖10展示了無(wú)植被條件下從上游到下游不同編號(hào)滯水區(qū)的泥沙落淤結(jié)果。由圖10可以看到：在4號(hào)滯水區(qū)之后，空腔內(nèi)的泥沙形態(tài)基本一致（即主淤積區(qū)位于空腔中、下游位置，次淤積區(qū)位于空腔上游位置；主區(qū)在落淤范圍和淤積厚度上都比次區(qū)大），與1號(hào)滯水區(qū)的泥沙形態(tài)大相徑庭?？紤]到泥沙運(yùn)動(dòng)受制于水動(dòng)力特性，淤沙形態(tài)的相似性說(shuō)明了在經(jīng)過(guò)初始的4個(gè)滯水區(qū)后，空腔環(huán)流結(jié)構(gòu)已經(jīng)調(diào)整到周期性運(yùn)動(dòng)，與Uijttewaal等[6]的發(fā)現(xiàn)契合。

圖10 無(wú)植被工況下滯水區(qū)內(nèi)的泥沙落淤結(jié)果Fig.10 Sediment deposition results in different groyne fields under the non-vegetated condition

一般來(lái)說(shuō)，懸移質(zhì)發(fā)生落淤要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟[18]：1）水體紊動(dòng)不能平衡泥沙的重力作用，懸沙沉落渠底；2）水流速度降到止動(dòng)流速及以下，沉底泥沙開始淤積。

聯(lián)系無(wú)植被滯水區(qū)的環(huán)流結(jié)構(gòu)，可以看到主淤積區(qū)對(duì)應(yīng)著主環(huán)流結(jié)構(gòu)，次淤積區(qū)對(duì)應(yīng)著次環(huán)流結(jié)構(gòu)，如圖11（a）所示。根據(jù)試驗(yàn)觀察，總結(jié)了懸沙的具體落淤過(guò)程：當(dāng)懸移質(zhì)跟隨著下游丁壩處的貼壁射流進(jìn)入滯水區(qū)后，水體紊動(dòng)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致粗粒徑懸沙首先沉底，由于主環(huán)流外側(cè)（即下游丁壩附近與渠道壁面附近）的流速較大，沉底泥沙將被水流推著運(yùn)動(dòng)，其中，大部分會(huì)被水流裹挾到主環(huán)流內(nèi)部（低速區(qū)）并發(fā)生淤積，少部分則會(huì)沿外通道流向上游，由于流速沿程衰減，泥沙逐漸淤積；細(xì)粒徑泥沙自重輕，能夠以懸移狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)次環(huán)流結(jié)構(gòu)，由于次環(huán)流區(qū)域紊動(dòng)強(qiáng)度和水流速度均很小，遂發(fā)生落淤，當(dāng)然細(xì)泥沙也存在直接擴(kuò)散到滯水區(qū)內(nèi)部并發(fā)生落淤的現(xiàn)象。

此外，滯水區(qū)與主渠交界面處的懸沙交換也會(huì)導(dǎo)致泥沙在空腔淤積。聯(lián)系擬序渦運(yùn)動(dòng)，當(dāng)脫落渦順流發(fā)展時(shí)，渦體尺寸逐漸增大并穿過(guò)交界面侵入到滯水區(qū)一定距離。伴隨著渦體的侵入，懸沙被帶進(jìn)滯水區(qū)，由于滯水區(qū)內(nèi)紊動(dòng)弱、流速低，泥沙會(huì)在交界面附近大量落淤，這可以被圖11（b）中靠近交界面的脊線佐證（脊線是淤積厚度的峰值連線，反映了泥沙在該處存在明顯淤積）。

圖11 無(wú)植被工況下7號(hào)滯水區(qū)的淤沙形態(tài)Fig.11 Sediment patterns in the 7th groyne field under thenon-vegetated condition

需要說(shuō)明的是：考慮到自然河道中通常是水沙混合物，泥沙的存在會(huì)對(duì)水動(dòng)力特性產(chǎn)生一定影響（例如，水沙相互作用能夠降低水體紊動(dòng)強(qiáng)度[21]以及影響交界面渦體脫落頻率[22]），清水條件下的流場(chǎng)結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況無(wú)法完全一致，但是環(huán)流結(jié)構(gòu)等流動(dòng)特點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)規(guī)律是相符合的[15]，因此可以采用清水條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析滯水區(qū)淤沙結(jié)果。

圖12展示了植被條件下不同編號(hào)滯水區(qū)的泥沙落淤結(jié)果。與無(wú)植被工況類似，在4號(hào)滯水區(qū)之后，空腔內(nèi)的淤沙結(jié)果在形態(tài)上具有高度相似性，說(shuō)明了水流運(yùn)動(dòng)已具有周期性特點(diǎn)。由于植被群落的阻滯效應(yīng)，Δ=25 mm條件下的滯水區(qū)只存在一個(gè)單環(huán)流結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，泥沙形態(tài)是一片完整落淤（圖13），不存在工況1中的主、次落淤。植被化滯水區(qū)內(nèi)的泥沙落淤過(guò)程與無(wú)植被工況一樣，一方面，隨環(huán)流進(jìn)入空腔的懸移泥沙沿程發(fā)生落淤；另一方面，交界面處的渦體擴(kuò)散導(dǎo)致主渠懸移質(zhì)進(jìn)入滯水區(qū)形成淤積。

圖12 Δ=25 mm工況下滯水區(qū)內(nèi)的泥沙落淤結(jié)果Fig.12 Sediment deposition in different groyne fields under case Δ=25 mm

圖13 Δ=25 mm工況下7號(hào)滯水區(qū)的淤沙形態(tài)（俯視圖）Fig.13 Sediment patterns in the 7th groyne field under case Δ=25 mm (top view)

3.3 落淤泥沙中值粒徑與質(zhì)量

圖14展示了無(wú)植被與Δ=25 mm工況下不同編號(hào)滯水區(qū)的泥沙中值粒徑d50與非均勻系數(shù)φ。由圖14可以看到，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)前4個(gè)滯水區(qū)調(diào)整到周期性運(yùn)動(dòng)后，淤沙中值粒徑d50整體上沿流程衰減。在4號(hào)～13號(hào)滯水區(qū)（即淤沙結(jié)果沿滯水區(qū)發(fā)展的過(guò)渡階段），中值粒徑d50存在明顯的衰減；在13號(hào)滯水區(qū)之后（即淤沙結(jié)果沿滯水區(qū)發(fā)展的穩(wěn)定階段），中值粒徑d50遞減幅度微小，基本達(dá)到恒定。這是因?yàn)闇畢^(qū)與主渠在進(jìn)行泥沙交換時(shí)，主槽懸移質(zhì)中的粗粒徑部分優(yōu)先在上游滯水區(qū)落淤，從而上游滯水區(qū)的淤沙中值粒徑較大；越向下游，交換面附近的粗沙比例越少，懸移質(zhì)平均粒徑變細(xì)，所以下游滯水區(qū)的泥沙中值粒徑較小。當(dāng)交換面處的泥沙顆粒級(jí)配趨于穩(wěn)定時(shí)，下游滯水區(qū)的淤沙中值粒徑不再有明顯變化。對(duì)于非均勻系數(shù)，其沿程基本不變，保持在1.2左右，說(shuō)明淤沙比較均勻。

圖14 淤沙中值粒徑d50與非均勻系數(shù)φ隨滯水區(qū)編號(hào)的變化Fig.14 Variations of median size d50 and non-uniformity coefficient φin different groyne fields

值得注意的是，對(duì)這兩組工況而言，同一編號(hào)滯水區(qū)的中值粒徑d50在無(wú)植被條件下更大。這是因?yàn)闊o(wú)植被條件下Kelvin-Helmholtz剪切層擺動(dòng)由于不受植被群落阻礙，會(huì)震蕩更加劇烈（即強(qiáng)紊動(dòng)），從而能夠驅(qū)動(dòng)更粗粒徑的泥沙進(jìn)入滯水區(qū)。在2號(hào)滯水區(qū)，峰值d50(無(wú)植被)大于d50(Δ=25mm)。在2號(hào)滯水區(qū)之后，兩組工況的滯水區(qū)會(huì)形成中值粒徑的錯(cuò)位對(duì)比，依次表現(xiàn)出d50(無(wú)植被)大于d50(Δ=25mm)。

圖15展示了無(wú)植被與Δ=25 mm這兩組工況下不同編號(hào)滯水區(qū)的淤沙質(zhì)量。與中值粒徑變化規(guī)律相似，當(dāng)水流調(diào)整到周期性運(yùn)動(dòng)后，淤沙質(zhì)量在4號(hào)～14號(hào)滯水區(qū)（即過(guò)渡階段）沿程衰減，在14號(hào)滯水區(qū)后（即穩(wěn)定階段），泥沙質(zhì)量略有減小，接近恒定。這是因?yàn)楫?dāng)來(lái)流泥沙優(yōu)先在上游滯水區(qū)落淤后，下游交換界面的懸沙濃度和平均粒徑都會(huì)逐漸衰減，導(dǎo)致下游滯水區(qū)淤積質(zhì)量減小。在經(jīng)過(guò)一段距離后，交換面處泥沙水平趨于穩(wěn)定，相應(yīng)滯水區(qū)淤沙質(zhì)量基本不再變化。

圖15 淤沙質(zhì)量m隨滯水區(qū)編號(hào)的變化Fig.15 Var iations of deposition mass m in differ ent groyne fields

通過(guò)對(duì)比同一編號(hào)滯水區(qū)的泥沙質(zhì)量，可以發(fā)現(xiàn)在上游滯水區(qū)（即1號(hào)～6號(hào)），淤沙質(zhì)量m(無(wú)植被)大于m(Δ=25mm)。一方面，由于植被化空腔的淤沙中值粒徑較?。创稚痴急壬伲?，如前文所述；另一方面，由于植被群落會(huì)抑制滯水區(qū)與主渠間的水體交換[23]，導(dǎo)致主渠懸沙無(wú)法被大量地輸送到滯水區(qū)。上述兩個(gè)原因共同造成了Δ=25 mm工況下滯水區(qū)泥沙淤積質(zhì)量偏小。在下游滯水區(qū)（即7號(hào)滯水區(qū)之后），淤沙質(zhì)量呈現(xiàn)出m(無(wú)植被)≈m(Δ=25mm)，這是因?yàn)楫?dāng)兩組工況的來(lái)沙條件一樣時(shí)，上游落淤結(jié)果的差異，即m(無(wú)植被)>m(Δ=25mm)，會(huì)導(dǎo)致下游交換面處懸沙濃度C(無(wú)植被)

4 結(jié) 論

本文對(duì)植被影響下的連續(xù)性滯水區(qū)分別開展了清水條件下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)量與泥沙條件下的落淤特性調(diào)查，得到了如下結(jié)論：

1）由于植被的阻滯效應(yīng)，無(wú)植被滯水區(qū)的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)會(huì)調(diào)整為植被化工況下的單環(huán)流結(jié)構(gòu)，并伴隨著環(huán)流速度的減弱。此外，植被會(huì)限制混合層內(nèi)脫落渦的發(fā)展，導(dǎo)致擬序渦尺寸減小。

2）丁壩群的連續(xù)挑流作用阻擋了主渠床沙進(jìn)入滯水區(qū)，空腔內(nèi)的淤沙主要來(lái)源于細(xì)顆粒懸移質(zhì)，包括兩部分：跟隨環(huán)流進(jìn)入空腔的懸移質(zhì)、跟隨交界面處的紊動(dòng)渦體擴(kuò)散到空腔的懸移質(zhì)。無(wú)植被工況下滯水區(qū)的淤沙形態(tài)為主、次兩個(gè)落淤區(qū)，而有植被條件下則是完整的落淤區(qū)，這是由它們各自的環(huán)流模式?jīng)Q定的。

3）當(dāng)水流經(jīng)過(guò)上游滯水區(qū)發(fā)展成周期性運(yùn)動(dòng)后，滯水區(qū)的淤沙中值粒徑與落淤質(zhì)量沿流向依次衰減，其衰減梯度逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定。受植被群落阻滯效應(yīng)影響，植被化工況下的剪切層震蕩與水體交換變?nèi)酰瑢?dǎo)致同等歷時(shí)內(nèi)植被化滯水區(qū)的淤沙中值粒徑與落淤質(zhì)量比無(wú)植被工況小，尤其是在過(guò)渡階段的上游滯水區(qū)。

關(guān)于植被化滯水區(qū)的淤沙問(wèn)題，本文只是考慮了有、無(wú)植被兩組工況，缺乏對(duì)不同種密度滯水區(qū)淤沙特性的調(diào)查?？紤]到自然情形中，植被密度會(huì)隨季節(jié)發(fā)生變化，因此有必要在下一階段開展植被密度變化下的空腔淤沙問(wèn)題研究。