生態(tài)浮床對(duì)水流水力特性影響研究

周志華 董禎 李彥濤

摘 要：運(yùn)用水槽試驗(yàn)和三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，研究了生態(tài)浮床串聯(lián)居中排列、無(wú)間距交錯(cuò)排列工況下的水流水動(dòng)力特征及其變化規(guī)律，結(jié)果表明：浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列水面壅高高于浮床串聯(lián)居中排列的;浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列的流場(chǎng)具有不對(duì)稱(chēng)性，水流較為紊亂，局部位置形成旋渦;浮床交錯(cuò)排列形成的旋渦及紊流有利于污染物擴(kuò)散、分解，但是阻水作用明顯，若考慮河道行洪排澇，浮床串聯(lián)居中排列要優(yōu)于無(wú)間距交錯(cuò)排列。

關(guān)鍵詞：生態(tài)浮床;水槽試驗(yàn);水動(dòng)力模型;串聯(lián)排列;交錯(cuò)排列

中圖分類(lèi)號(hào)：TV131 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.019

引用格式：周志華，董禎，李彥濤.生態(tài)浮床對(duì)水流水力特性影響研究[J].人民黃河，2021，43（4）：106-110，126.

Abstract： In this paper， flume tests and three-dimensional hydrodynamic mathematical model were used to study the hydrodynamic characteristics and variation of the ecological floating bed in series arrangement and staggered arrangement without spacing. The results show that the height of the water surface in the staggered arrangement of the floating bed is higher than that in the series， and the flow field in the staggered arrangement of the floating bed has asymmetry， the water flow is disordered， and the local position forms a vortex. The vortices and turbulence formed by the staggered floating bed are conducive to the diffusion and decomposition of pollutants， but the water blocking effect is obvious. In consideration of flood drainage， the floating bed in series and middle arrangement is better than the staggered arrangement without spacing.

Key words： ecological floating bed; flume test; hydrodynamic model; series arrangement; staggered arrangement

生態(tài)浮床又稱(chēng)生態(tài)浮島、人工浮床等，是一種采用現(xiàn)代農(nóng)藝和生態(tài)工程措施綜合集成的水面無(wú)土種植植物技術(shù)。生態(tài)浮床由植被基（生態(tài)浮床平臺(tái)）、植物和固定系統(tǒng)組成，通過(guò)生長(zhǎng)在植被基上的植物、植物根系表面的微生物及水生生物凈化水質(zhì)，其凈化機(jī)制主要為植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生化作用、微生物的吸收與降解、水生生物的吸收等[1]。生態(tài)浮床已成功應(yīng)用于我國(guó)大型水庫(kù)、湖泊、河道等水體綜合治理中。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多從植物篩選和凈化效果上對(duì)生態(tài)浮床進(jìn)行研究，而從水動(dòng)力學(xué)角度研究生態(tài)浮床凈化機(jī)制的較少[2]。通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法可以得出浮床布置后水體流速、紊動(dòng)強(qiáng)度等水動(dòng)力特征的變化情況[3-4]。朱紅鈞等[5]研究發(fā)現(xiàn)，河道中布設(shè)種植圈對(duì)縱向流速分布有明顯影響，同時(shí)相對(duì)湍流強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力增大;何寧等[6]對(duì)水浮蓮型生態(tài)河道凈化效果進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)，并分析了種植水浮蓮前后流速的分布規(guī)律;李勇等[7]采用水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了雙方柱浮床3種布置形式對(duì)河流水動(dòng)力特征的影響;Rao L等[8-9]搭建雙層組合模型描述浮床，研究了浮床對(duì)水流特性的影響和水質(zhì)凈化效率;唐漪[10]設(shè)計(jì)了一款3層結(jié)構(gòu)的生態(tài)浮床，并利用Visual MODFLOW對(duì)水體在生態(tài)浮床系統(tǒng)內(nèi)部的水流狀態(tài)進(jìn)行了模擬，優(yōu)選出不同水動(dòng)力條件下浮床的設(shè)計(jì)規(guī)模;劉彥東等[11]對(duì)含柔性沉水植物的河道開(kāi)展水力特征三維數(shù)值模擬，將柔性沉水植物區(qū)域簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)區(qū)域，得出了河道沿程水位曲線、流速和紊動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)的垂線分布。筆者利用水槽試驗(yàn)，結(jié)合三維數(shù)值模擬方法，研究生態(tài)浮床對(duì)水流水力特性的影響。

1 研究方法

1.1 水槽試驗(yàn)

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)30 m、寬2 m、高0.9 m，兩側(cè)為透明玻璃，底部為鋼板。試驗(yàn)段位于水槽中部，長(zhǎng)12 m，采用碎石子鋪底作為試驗(yàn)段床面，厚20 cm，在試驗(yàn)段上游側(cè)和下游側(cè)分別設(shè)置緩坡，使得進(jìn)入試驗(yàn)段水流平順。試驗(yàn)進(jìn)口流量為0.32 m3/s，即斷面平均流速為0.4 m/s，出口控制斷面水深40 cm。通過(guò)多次調(diào)節(jié)，沿程各斷面垂向流速呈對(duì)數(shù)分布，橫向流速分布較均勻，流速基本一致，達(dá)到試驗(yàn)要求的平均流速和控制斷面水深。試驗(yàn)水槽布置示意見(jiàn)圖1。

為保證水流平穩(wěn)，盡量避免尾門(mén)附近水面波動(dòng)的影響，在試驗(yàn)段均勻設(shè)置了11個(gè)水面線測(cè)量斷面和5個(gè)流速測(cè)量斷面，同時(shí)每個(gè)流速測(cè)量斷面設(shè)置5條測(cè)線，每條測(cè)線沿水深均勻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)。水槽試驗(yàn)采用無(wú)浮床組、浮床串聯(lián)居中排列和浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列3種布置形式。長(zhǎng)方形浮床每塊方形板尺寸為0.33 m×0.33 m，共使用36塊方形浮板組裝成1 m×4 m或者2個(gè)1 m×2 m的長(zhǎng)方形浮床，浮床采用PE材質(zhì)，通過(guò)底部固定方式安裝，保證浮床可以相對(duì)穩(wěn)定地浮在水面上。浮床植物為黃菖蒲，一盆3株左右，高約50 cm，根系長(zhǎng)約15 cm。浮床串聯(lián)居中排列測(cè)量斷面分布見(jiàn)圖2，浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列測(cè)量斷面分布見(jiàn)圖3。

水槽試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、表2。試驗(yàn)中流速測(cè)量采用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV），通過(guò)移動(dòng)測(cè)架進(jìn)行測(cè)點(diǎn)定位。水位測(cè)量采用水位測(cè)針，精確度為0.1 mm，通過(guò)沿程各水位測(cè)量斷面的水位測(cè)針讀數(shù)并進(jìn)行換算，得出各工況下對(duì)應(yīng)的水面線。采用曼寧公式和謝才公式將水流近似作為均勻流處理，結(jié)合試驗(yàn)流速、水力坡降數(shù)據(jù)計(jì)算得到無(wú)浮床、浮床串聯(lián)居中排列和浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列的糙率分別為0.026、0.042、0.044。

1.2 數(shù)學(xué)模型

通過(guò)搭建三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型模擬生態(tài)浮床對(duì)河道水動(dòng)力特征的影響。

1.2.1 控制方程

三維模型采用RNG K-ε雙方程紊流模型[12]。水流連續(xù)方程：

在采用RNG K-ε模型求解紊流問(wèn)題時(shí)，控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程，以及K、ε方程。

1.2.2 求解方法

三維數(shù)學(xué)模型的數(shù)值離散均采用有限體積法[13]，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能很好地保證水動(dòng)力模型中水量和動(dòng)量守恒。通量求解采用自動(dòng)迎風(fēng)格式，變量存儲(chǔ)采用交錯(cuò)網(wǎng)格，即主網(wǎng)格點(diǎn)上布置水位等標(biāo)量，而將流速變量布置在主網(wǎng)格點(diǎn)交界面上，以解決水位波動(dòng)問(wèn)題。

1.2.3 水槽三維水動(dòng)力模型構(gòu)建

（1）網(wǎng)格劃分。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，構(gòu)建規(guī)則的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。水流方向?yàn)閄向，水槽橫斷面方向?yàn)閅向，水槽垂直方向?yàn)閆向。以浮床串聯(lián)排列為例說(shuō)明網(wǎng)格剖分情況。網(wǎng)格劃分為浮床主體區(qū)、浮床根系區(qū)、非浮床區(qū)3個(gè)部分。浮床主體區(qū)X向尺寸為4 m，Y向尺寸為1 m，Z向尺寸為0.1 m，浮床主體區(qū)在Z向的范圍為0.4～0.5 m，位于初始水面以上;浮床根系區(qū)X向尺寸為4 m，Y向尺寸為1 m，Z向尺寸為0.1 m，浮床根系區(qū)在Z向的范圍為0.3～0.4 m，位于初始水面下。X向網(wǎng)格尺寸為0.05 m，Y向網(wǎng)格尺寸為0.1 m，除了網(wǎng)格在底部壁面附近存在局部加密以保證邊界層流速模擬精確度外，Z向底部壁面附近、水面線附近網(wǎng)格局部加密至0.01 m，Z向其余網(wǎng)格尺寸為0.02 m。

（2）邊界條件。模型涉及的邊界條件包括進(jìn)口邊界、出口邊界、固壁邊界、自由水面、浮床區(qū)域。水流進(jìn)口邊界采用速度進(jìn)口邊界條件，進(jìn)口水流流速沿X向?yàn)?.4 m/s;進(jìn)口上部及頂部的空氣進(jìn)口邊界采用壓力進(jìn)口邊界條件，壓強(qiáng)設(shè)定為大氣壓。出口邊界包括水流、空氣的混合出口邊界，采用壓力出口邊界，壓強(qiáng)設(shè)定為大氣壓強(qiáng)，并控制下游水位為0.4 m。固壁邊界包括水槽的側(cè)面、底面，采用無(wú)滑移邊界條件，通過(guò)調(diào)整粗糙度Ks、粗糙度常數(shù)Cs擬合水槽試驗(yàn)的水面線、流速分布，從而實(shí)現(xiàn)率定?？紤]到試驗(yàn)段底部鋪設(shè)卵石，可假設(shè)粗糙度為0.035 m，粗糙度常數(shù)為0.8。浮床區(qū)域設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域，并且劃分為浮床主體區(qū)和浮床根系區(qū)兩個(gè)部分。

（3）參數(shù)及解算方法設(shè)置。結(jié)合水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算水流流過(guò)生態(tài)浮床所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差為30 Pa，壓降較小。生態(tài)浮床的多孔區(qū)域只考慮孔隙率、黏性阻力系數(shù)1/α的影響。模型中根系部分孔隙率取65%，浮床主體部分由于存在種植植物的圓孔以及浮床基質(zhì)，因此孔隙率取10%。根系部分黏性阻力系數(shù)設(shè)置為7.2×107，浮床主體部分黏性阻力系數(shù)1/α采用試算法確定為2.5×108。

模型使用標(biāo)準(zhǔn)K-ε紊流模型[14]，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，解算采用SIMPLE模式。壓力插值格式采用Body Force Weighted模式，動(dòng)量、體積分?jǐn)?shù)、紊流擴(kuò)散系數(shù)等插值格式均使用一階迎風(fēng)格式。計(jì)算經(jīng)過(guò)10 000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)0.05 s，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)的最大迭代計(jì)算次數(shù)為20。

2 研究成果分析

首先構(gòu)建無(wú)浮床工況的水槽三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，利用無(wú)浮床工況率定粗糙度、粗糙度常數(shù)等參數(shù)。然后結(jié)合室內(nèi)水槽試驗(yàn)，構(gòu)建有浮床的三維模型，擬合水面線和流速，分析不同浮床排列方式對(duì)水流流態(tài)的影響。

2.1 三維水動(dòng)力模型率定與驗(yàn)證

（1）無(wú)浮床工況。當(dāng)粗糙度Ks=0.035 m，粗糙度常數(shù)Cs=0.8時(shí)，實(shí)測(cè)與模擬水面線兩者相差最大值為0.66 mm。根據(jù)計(jì)算，水面線擬合的納什效率系數(shù)為0.97，擬合效果較好。水面線擬合結(jié)果見(jiàn)圖4，斷面流速擬合結(jié)果見(jiàn)圖5。

（2）浮床串聯(lián)排列工況。浮床串聯(lián)排列工況模擬水面線見(jiàn)圖6。浮床上游以及浮床段擬合效果較好，水位相差最大值為0.12 cm;浮床下游段模擬水面線普遍偏低，但是總體來(lái)說(shuō)，水面線擬合效果仍處于合理范圍。浮床下游段的誤差可能來(lái)自于數(shù)值模擬中將生態(tài)浮床視為固定床體，未考慮床體對(duì)水面施加的壓力，從而導(dǎo)致下游水位偏低。根據(jù)沿程水流水位情況，可將水流劃分為A到E 5個(gè)區(qū)。相較于無(wú)浮床工況，A、B兩個(gè)區(qū)因浮床的阻水作用均出現(xiàn)明顯壅水;C區(qū)位于浮床段，水流損失部分動(dòng)能，水面線下降;水流進(jìn)入D區(qū)后，水面線出現(xiàn)較為劇烈的波動(dòng);E區(qū)為浮床下游段，水面線較為平緩，中線水位高于左右兩側(cè)水位。

實(shí)測(cè)流速與模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7。計(jì)算水面線和流速與水槽試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，說(shuō)明利用兩層式的固定多孔介質(zhì)區(qū)域概化模擬生態(tài)浮床效果較好，模型合理、可行。

2.2 浮床不同排列方案下三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

結(jié)合上述研究結(jié)果，研究浮床串聯(lián)排列、交錯(cuò)排列方式下生態(tài)浮床對(duì)水槽水位、流速、流場(chǎng)等水動(dòng)力特性的影響。

（1）水面線。浮床串聯(lián)、交錯(cuò)排列水面壅高情況見(jiàn)圖8（其中試驗(yàn)平均流速0.4 m/s，控制斷面水深40 cm）。相較于浮床串聯(lián)排列，浮床交錯(cuò)排列上游段水面平均壅高值增加明顯，交錯(cuò)排列對(duì)水流的阻礙作用更為強(qiáng)烈，導(dǎo)致水面壅高現(xiàn)象更明顯。浮床串聯(lián)排列上游水面平均壅高0.65 cm，下游水面平均壅高0.07 cm;浮床交錯(cuò)排列上游水面平均壅高1.20 cm，下游水面平均壅高0.25 cm。同時(shí)浮床交錯(cuò)排列導(dǎo)致了水位的不對(duì)稱(chēng)性。在浮床上游段，浮床串聯(lián)排列左、中、右水面壅高值相差較小，而浮床交錯(cuò)排列此段水面壅高值出現(xiàn)左線>中線>右線的現(xiàn)象，主要原因是靠前浮床放置在左側(cè)，對(duì)左側(cè)水流的阻礙作用較強(qiáng)。在浮床下游段，浮床串聯(lián)排列水面壅高值出現(xiàn)中線>左右側(cè)的現(xiàn)象，主要原因是從浮床段流出的水流流速較小，兩側(cè)水流流速較大，所以中線水位壅高值更為明顯。浮床交錯(cuò)排列水面壅高值出現(xiàn)右側(cè)>中線>左側(cè)的現(xiàn)象，主要原因是靠后放置的浮床處于右側(cè)，從靠后浮床流出的低速水流與其他水流相互摻混導(dǎo)致水流流速降低，水面壅高更加明顯。

（2）流速。無(wú)浮床、浮床串聯(lián)排列、浮床交錯(cuò)排列3種工況在上游2#斷面和下游8#斷面處左、中、右垂線流速分布見(jiàn)圖9、圖10。浮床上游段，交錯(cuò)排列會(huì)明顯導(dǎo)致靠近底部附近水流流速增大，相對(duì)增大20%;表層流速減小，且水流流速分布明顯不對(duì)稱(chēng)，出現(xiàn)左側(cè)<中線<右側(cè)的現(xiàn)象[15]。浮床下游段，串聯(lián)排列、交錯(cuò)排列導(dǎo)致表層流速減小，交錯(cuò)排列同樣導(dǎo)致水流流速分布不對(duì)稱(chēng)。

（3）流場(chǎng)。浮床串聯(lián)排列時(shí)，水流進(jìn)入浮床前，絕大多數(shù)水流繞開(kāi)浮床區(qū)，沒(méi)有出現(xiàn)旋渦等水流極度紊亂的現(xiàn)象;浮床交錯(cuò)排列時(shí)，后面浮床迎流位置出現(xiàn)一個(gè)較大尺寸的旋渦，該處水位明顯下降，導(dǎo)致浮床內(nèi)部水流紊亂。浮床不同排列方式下水面流場(chǎng)見(jiàn)圖11。旋渦的形成一定程度上會(huì)對(duì)浮床產(chǎn)生破壞，但是有利于污染物的擴(kuò)散、分解，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮。

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合室內(nèi)水槽試驗(yàn)結(jié)果，利用兩層式的固定多孔介質(zhì)區(qū)域概化生態(tài)浮床，通過(guò)構(gòu)建生態(tài)浮床不同排列方式的水槽三維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，模擬分析生態(tài)浮床串聯(lián)居中排列、無(wú)間距交錯(cuò)排列對(duì)水動(dòng)力特征的影響規(guī)律。

（1）相對(duì)無(wú)浮床工況，浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列的水面壅高均高于浮床串聯(lián)居中排列的。浮床串聯(lián)居中排列上游左、中、右水面壅高值相差不大，下游水面壅高值中線>左右側(cè);浮床無(wú)間距交錯(cuò)排列上游水面壅高值左側(cè)>中線>右側(cè)，下游水面壅高值右側(cè)>中線>左側(cè)。

（2）上游段浮床交錯(cuò)排列出現(xiàn)靠近底部水流流速增大，并且流速出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，水流較為紊亂，部分地方形成旋渦。

（3）浮床交錯(cuò)排列形成的旋渦及紊流有利于污染物擴(kuò)散、分解，但是阻水作用明顯。若考慮對(duì)河道行洪排澇的影響，浮床串聯(lián)居中排列優(yōu)于無(wú)間距交錯(cuò)排列。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧志強(qiáng)，閻百興，李旭輝，等.人工浮床技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治，2013，35（5）：88-92.

[2] 任照陽(yáng)，鄧春光.生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26（增刊1）：261-263.

[3] 吳婭明，李勇，周超，等.生態(tài)浮床對(duì)水體凈化效果及水動(dòng)力特性影響的研究進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（9）：163-165.

[4] 閆靜，戴坤，唐洪武，等.含植物河道紊流結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展，2014，25（6）：915-922.

[5] 朱紅鈞，趙振興.生態(tài)河道種植圈對(duì)水流水力特性的影響[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2007（1）：31-35.

[6] 何寧，趙振興，秦穎榮.水浮蓮型生態(tài)河道水流特性試驗(yàn)研究[J].人民黃河，2009，31（9）：44-45.

[7] 李勇，吳婭明，朱亮，等.雙浮床布設(shè)對(duì)河流水動(dòng)力特性的影響模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，42（1）：7-12.

[8] RAO L， QIAN J， AO Y H. Influence of Artificial Ecological Floating Beds on River Hydraulic Characteristics[J]. Journal of Hydrodynamics（Ser B）， 2014， 26（3）： 474-481.

[9] RAO L， WANG P， LEI Y， et al. Coupling of the Flow Field and the Purification Efficiency in Root System Region of Ecological Floating Bed Under Different Hydrodynamic Conditions[J]. Journal of Hydrodynamics（Ser B）， 2016， 28（6）： 1049-1057.

[10] 唐漪.基于三維流場(chǎng)數(shù)值模擬的生態(tài)浮床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2016：1-7.

[11] 劉彥東，徐國(guó)賓，張雅卓.含柔性沉水植物河道水力特性三維數(shù)值模擬研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2014，25（6）：44-49.

[12] 張兆順，崔桂香.流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015：317-348.

[13] 閻超.計(jì)算流體力學(xué)方法及應(yīng)用[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2006：221-243.

[14] 劉鋒，邱秀云，周著.利用Fluent軟件對(duì)植物壩覆蓋區(qū)域流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].水利水電科技進(jìn)展，2010，30（2）：32-35.

[15] 王潔瓊，槐文信，李志偉.水浮蓮型生態(tài)河道水流縱向流速垂線分布規(guī)律[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，44（4）：439-444.

【責(zé)任編輯 呂艷梅】