線性層結(jié)環(huán)境和浸沒式植被對(duì)斜坡異重流運(yùn)動(dòng)的影響

劉雅鈺，林穎典，袁野平，賀治國(guó)

(浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

異重流是兩種密度差別不大的流體，因其間在水平方向上密度差而產(chǎn)生的一種流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)，密度較大的流體中存在的流體壓力驅(qū)動(dòng)了重流體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象[1]. 異重流現(xiàn)象在自然環(huán)境和人類工程中十分普遍，如空氣中的雪崩、火山巖漿、由懸浮泥漿或淤泥產(chǎn)生的濁流、地表羽流及河床上的鹽楔等[1].

在自然環(huán)境中，常出現(xiàn)因溫度或鹽度變化導(dǎo)致的水體垂向密度變化，即層結(jié)現(xiàn)象[2]. 層結(jié)環(huán)境形成原因一般可分為兩類：在近海區(qū)域，因水深增加導(dǎo)致水溫由上至下呈遞減分布，溫差導(dǎo)致水體密度變化.在河流入?？趨^(qū)域，河海水混合導(dǎo)致水體鹽度沿水深遞增，從而致使水體密度在垂向上發(fā)生變化. 在層結(jié)水體中，底層異重流沿底坡運(yùn)動(dòng)并與環(huán)境水體不斷摻混一段距離后，底層異重流受周圍環(huán)境水體浮力(異重流密度小于下方水體)作用，促使異重流脫離底坡形成間層流(或稱侵入式異重流)[3]. 除環(huán)境水體的分層效應(yīng)外，在自然環(huán)境河海近岸處常有植被群生長(zhǎng)及水下柱形構(gòu)筑物，且存在地形變化，異重流在發(fā)展過程中受二者干擾影響的現(xiàn)象十分常見. 故而，探究層結(jié)環(huán)境、植被和底坡的綜合效應(yīng)對(duì)異重流分離深度的影響有助于探明異重流在實(shí)際工程中的水下最大破壞深度和異重流的擴(kuò)散程度，從而預(yù)估異重流沿底床產(chǎn)生的破壞性范圍，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)、海底管線及海洋平臺(tái)的建設(shè)等提供重要參考依據(jù). 同時(shí)，分離深度可以判定徑流攜帶營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、污染物及泥沙的停滯位置，對(duì)環(huán)境生態(tài)及海洋工程研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值. 由于野外觀測(cè)異重流在實(shí)施上存在一定的技術(shù)難度，并且耗時(shí)耗力[3-4]，在過去的幾十年中，水槽實(shí)驗(yàn)[1]成為探索異重流的主要方法之一，并被廣泛應(yīng)用于異重流的研究中.

已有關(guān)于層結(jié)水體、浸沒式植被群和斜坡底床等因素對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)影響的研究[4]. 如文獻(xiàn)[2]對(duì)非層結(jié)水體和層結(jié)水體中開閘式異重流沿斜坡運(yùn)動(dòng)的機(jī)制和動(dòng)力特性進(jìn)行了對(duì)比研究，認(rèn)為開閘式異重流在層結(jié)水體中沿斜坡運(yùn)動(dòng)先后進(jìn)入加速、減速和分離三個(gè)階段. 趙亮等[5]研究發(fā)現(xiàn)，層結(jié)水體中，障礙物會(huì)加劇斜坡異重流的摻混過程，并隨障礙物高度的增加而增強(qiáng). Nepf[6]研究發(fā)現(xiàn)在稀疏浸沒式植被附近，床層粗糙度和近床湍流度均有所提高，但速度剖面呈對(duì)數(shù)分布.對(duì)于高密浸沒式植被，植被冠部的阻力不連續(xù)，從而產(chǎn)生剪切層，控制植被間和植被上方重流體之間的質(zhì)量和動(dòng)量交換.Cenedese等[7-8]探索了浸沒式植被群對(duì)開閘式平坡異重流摻混機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)異重流通過高密植被群時(shí)，大部分重流體沿植被群冠部運(yùn)動(dòng)，少數(shù)重流體于植被間運(yùn)動(dòng)，部分低密度水體位于高密度水體之下，促使對(duì)流瑞利-泰勒不穩(wěn)定，造成重流體與環(huán)境水體稀釋增強(qiáng).而密度較小的植被群會(huì)導(dǎo)致異重流頭部稀釋增強(qiáng)，這是植被群尾部產(chǎn)生的漩渦引起的. Ho等[9]開展了異重流沿斜坡通過植被群的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)異重流流入植被后頭部由半橢圓型逐漸變?yōu)槿切涡?，且在流出植被后頭部恢復(fù)為半橢圓型的時(shí)間隨植被密度增加而延長(zhǎng). 林穎典等[10]通過水槽實(shí)驗(yàn)對(duì)植被環(huán)境中異重流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)植被的阻擋效應(yīng)與坍塌階段向自相似階段轉(zhuǎn)變的位置呈負(fù)相關(guān)，但與異重流的濃度關(guān)系不明顯. 楊婕等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)剛性植被對(duì)水流流速的減緩效果優(yōu)于柔性植被.

綜上所述，異重流的運(yùn)動(dòng)速度、渦旋結(jié)構(gòu)及其摻混范圍受植被抑制作用顯著，但以上研究多基于清水環(huán)境和平坡，忽略了自然環(huán)境(諸如海洋、湖泊中的溫鹽躍層)中的層結(jié)現(xiàn)象和實(shí)際地形變化的影響. 因此，本文以剛性植被指代水環(huán)境中的天然植被以及人工水下樁群，基于前期異重流于清水中沿平坡通過植被的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)開閘式斜坡異重流在不同層結(jié)度的水體環(huán)境下及不同密度的浸沒式植被群的運(yùn)動(dòng)演變特性進(jìn)行對(duì)比研究，分析不同參數(shù)對(duì)異重流發(fā)展的影響，并利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)得到不同條件下異重流的速度場(chǎng)和渦度場(chǎng)，以揭示和探討其流場(chǎng)變化過程、渦度內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其變化特性. 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，得出不同因素對(duì)異重流的作用機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)步驟

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(cm)Fig.1 Sketch of experimental setup (cm)

實(shí)驗(yàn)水槽長(zhǎng)280 cm、高46 cm、寬15 cm，如圖1所示，圖中Hv為植被群高度.實(shí)驗(yàn)中閘門通過步進(jìn)電機(jī)控制啟閉，能夠消除人工啟閉引起的擾動(dòng)和偶然誤差的影響. 實(shí)驗(yàn)水槽閘門右側(cè)注入鹽度為1.55%的鹽水，閘室寬19 cm，閘門左側(cè)注入清水生成均勻水體，或采用“雙缸法”[12]，利用精密的流量控制系統(tǒng)生成穩(wěn)定的線性分層水體，環(huán)境水體水深H=34 cm，閘室內(nèi)鹽水水位與環(huán)境水體等高，其水深h0=9 cm. 閘室內(nèi)鹽水以適量高錳酸鉀染色. 由于閘門開啟時(shí)，受重力作用，異重流會(huì)有一個(gè)重流體坍塌過程，可能會(huì)減弱植被群對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)的阻擋作用.為將植被群對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)的影響最大化呈現(xiàn).本實(shí)驗(yàn)將與水槽同寬，植被群長(zhǎng)度Lv=30 cm的植被群放置在距閘門38 cm處，即2個(gè)閘室長(zhǎng)度處(此時(shí)對(duì)應(yīng)無(wú)植被群工況下的異重流處于加速階段區(qū)域內(nèi)). 植被群簡(jiǎn)化為直徑D=7 mm剛性木制圓柱. 本實(shí)驗(yàn)采取Hv=3 cm，密度φ=4.5%、9.0%和18%的植被群. 以Hv與水深H之比α表示二者之間的關(guān)系，本文中包括α=0、α<1兩種情況. 實(shí)驗(yàn)中以每秒25幀的彩色數(shù)碼照相機(jī)相機(jī)記錄異重流的行進(jìn)過程及形態(tài)結(jié)構(gòu)等. 通過自編MATLAB程序提取異重流的頭部位置、頭部速度及摻混系數(shù)等. 此外，采用幀率為100 幀/s的PIV拍攝系統(tǒng)記錄異重流流經(jīng)植被群時(shí)的局部過程，并用PIVLAB[13]軟件處理提取異重流局部區(qū)域的速度場(chǎng)和渦度場(chǎng)，對(duì)異重流與環(huán)境水體的摻混及其速度場(chǎng)進(jìn)行分析，并計(jì)算相應(yīng)位置的渦度分布.

關(guān)于異重流頭部位置等參數(shù)誤差具體解釋如下，對(duì)于異重流頭部位置，在無(wú)植被群情況下，主要的誤差是相機(jī)畫面失真和像素分辨率所造成的.利用商用軟件MATLAB可以修正畫面失真的影響，而本實(shí)驗(yàn)中像素分辨率為每個(gè)像素約代表0.09 cm的長(zhǎng)度，因此在沒有植被群情況下，異重流頭部位移距離的絕對(duì)不確定度約為0.09 cm，而相對(duì)不確定度會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)距離的增加而減少，在水槽的中心位置(即閘門左側(cè)水平距離140 cm處)，相對(duì)不確定度約為0.1%. 植被群的遮蔽效應(yīng)會(huì)造成異重流頭部位置不確定度的增加，不確定度約為5個(gè)像素，即絕對(duì)不確定度約為0.45 cm.

1.2 特征參數(shù)及實(shí)驗(yàn)組別

在均勻水體和線性層結(jié)水體中開展一系列開閘式實(shí)驗(yàn)，對(duì)異重流通過植被群的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比研究，采取Ungarish[14]描述環(huán)境水體層結(jié)情況的方法，定義相對(duì)層結(jié)度為

(1)

式中：ρa(bǔ)B為環(huán)境水體底層水體密度(即通過取樣器貼底采樣所得)；ρa(bǔ)T為環(huán)境水體頂層密度；ρc0為閘門右側(cè)鹽水初始密度.

參考Baines[15]的做法，將初始有效重力加速度定義為

(2)

式中：g=9.81 m/s2為重力加速度.

此外，描述異重流運(yùn)動(dòng)特性的參數(shù)還包括體積雷諾數(shù)Re[16]和體積弗勞德數(shù)Fr[15]：

(3)

(4)

式中：U為異重流頭部平均速度；ν為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，取值10-6m2·s.實(shí)驗(yàn)中所有工況的雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于 1 000，表明黏滯力的影響可以忽略[16].

植被群密度φ(圓柱體平面面積與植被區(qū)域面積比值)的計(jì)算公式為

(5)

式中：N為植被群數(shù)目；D為植被群直徑；Wv為植被群寬度.

表1給出了各實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)參數(shù).

為消除各參數(shù)單位對(duì)分析結(jié)果的影響，利用h0對(duì)參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化：

表1 實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)參數(shù)Tab.1 Experimental conditions and related parameters

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：x為異重流頭部位置；t為異重流運(yùn)動(dòng)時(shí)間；u為異重流頭部瞬時(shí)速度.

圖2所示為工況C3環(huán)境水體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量密度值與水深的擬合結(jié)果，相關(guān)系數(shù)R2為0.995，表明實(shí)驗(yàn)構(gòu)造的層結(jié)水體線性良好，其它工況的R2值均不低于0.995.

圖2 環(huán)境水體密度與水深關(guān)系(工況C3)Fig.2 Density of ambient water versus depth (case C3)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3、4所示為環(huán)境水體為均勻水體(S=0)和線性層結(jié)鹽水(S=1.12)時(shí)的異重流沿斜坡經(jīng)過Hv=3 cm、φ=18%剛性植被群時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程圖, 其中時(shí)間零點(diǎn)(t=0)以閘門開啟瞬間為依據(jù). 可以看出,S=0時(shí), 異重流在到達(dá)植被群之前，其形態(tài)結(jié)構(gòu)與無(wú)植被群時(shí)的工況N1基本一致(圖3(a)).當(dāng)異重流頭部到達(dá)植被群時(shí)，由于其頭部厚度高于植被群，部分重流體會(huì)沿著植被群冠部上攀，一部分重流體會(huì)繼續(xù)沿斜坡進(jìn)入植被群間隙向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)異重流整體頭部會(huì)增厚.而在植被群后方，部分流體會(huì)被阻擋而滯留(圖3(b)). 隨著異重流進(jìn)入植被群，形成瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，位于植被群頂端的重流體受重力作用侵入下方水體，整體處于自由剪切混合層中[17]，其兩相交界面產(chǎn)生一些或大或小漩渦(圖3(c)).到達(dá)植被群尾端時(shí)，受重力影響，植被群頂端異重流頭部表現(xiàn)出下潛行為(圖3(d)). 通過植被群之后，部分重流體被阻擋回流，自植被群頂端躍下的會(huì)同植被群間通過的部分重流體可以再次形成半橢圓的異重流頭部結(jié)構(gòu)，并且沿著斜坡繼續(xù)下潛.被阻擋的部分鹽水會(huì)沿著斜坡上下緩慢振動(dòng)，隨后大部分逐漸靜止于植被群間(圖3(e)、3(f)).

圖3 均勻水體中異重流經(jīng)過植被群的運(yùn)動(dòng)過程(工況C1)Fig.3 Movement processes of gravity currents through vegetation group in uniform water (case C1)

圖4 層結(jié)水體中異重流經(jīng)過植被群的運(yùn)動(dòng)過程(工況C3)Fig.4 Movement process of gravity currents through vegetation group in stratified environments (case C3)

S=1.12時(shí), 隨著異重流沿斜坡運(yùn)動(dòng)，重流體與周圍水體發(fā)生混合，導(dǎo)致密度減小，由于環(huán)境水體密度由上至下呈線性遞增，異重流在經(jīng)過植被群時(shí)，兩相界面間的漩渦有所減少(圖3(c)、4(b)). 在通過植被群后，由于重流體到達(dá)斜坡“中性密度層”[15]的深度，異重流與斜坡分離并呈現(xiàn)不同深度下的水平入侵的趨勢(shì)，使得異重流的整體尺寸增大[4-5]. 在層結(jié)環(huán)境中，異重流在經(jīng)過植被群時(shí)與清水中的表現(xiàn)基本相同(圖4(b))，只是受垂向密度梯度影響，較之清水環(huán)境(圖3(b)、3(c))，瑞利-泰勒不穩(wěn)定性影響減弱，其界面的湍流作用弱化.當(dāng)通過植被群后，由于在深度方向上存在密度梯度，植被群頂端鹽水在躍下植被群后不能再次形成繼續(xù)沿斜坡運(yùn)動(dòng)的半橢圓型異重流頭部，而是形成不同深度的水平入侵體(圖4(c)). 此時(shí)，植被群間流出的鹽水由于受植被群阻力影響與環(huán)境水體交換不佳，在流出植被群后仍能沿斜坡運(yùn)動(dòng)一段距離(圖4(e))，而后再次脫離斜坡形成水平入侵體(圖4(f))，從而導(dǎo)致異重流的頭部和尾部均有體積顯著增大的現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)過程中，均勻水體中異重流的運(yùn)動(dòng)速度顯著大于層結(jié)水體情況下異重流的運(yùn)動(dòng)速度, 均勻水體中的異重流速度先增大后減小至坡底.

從異重流形態(tài)來(lái)看, 層結(jié)水體中異重流整體均存在明顯的摻混，而均勻水體中異重流與環(huán)境水體的摻混主要在頭部區(qū)域, 尾部幾乎不參與. 這是因?yàn)樵趯咏Y(jié)水體中，異重流在垂向上與環(huán)境水體不斷摻混，同時(shí)由于環(huán)境水體的密度隨深度線性遞增，導(dǎo)致不同深度下的重流體密度與其所處深度處的環(huán)境水體密度接近，持續(xù)出現(xiàn)水平入侵現(xiàn)象，使異重流在層結(jié)水體中整體摻混更為劇烈.

2.2 頭部速度

已有研究表明[18]，在無(wú)植被群(φ= 0)的情況下，當(dāng)環(huán)境水體為均勻水體時(shí)，異重流沿斜坡運(yùn)動(dòng)的頭部速度分為加速和減速兩個(gè)階段.當(dāng)環(huán)境水體為線性層結(jié)水體時(shí)，異重流頭部速度在經(jīng)過加速階段后，其減速幅度顯著增加.

圖5所示為異重流沿斜坡運(yùn)動(dòng)的頭部瞬時(shí)速度隨頭部位置的變化，頭部位置的起點(diǎn)為斜坡頂端.
圖5(a)為無(wú)植被群(φ=0)的情況下，3種相對(duì)層結(jié)度下的異重流頭部速度變化.可以看出，異重流頭部速度整體變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[18]相符，且在同一坡度下，相對(duì)層結(jié)度越大，異重流加速階段所能達(dá)到的峰值越小，其進(jìn)入減速階段的轉(zhuǎn)變位置前移，說明層結(jié)度對(duì)異重流沿坡運(yùn)動(dòng)有抑制作用. 造成該現(xiàn)象的原因有[4]：① 環(huán)境水體密度隨深度線性遞增，深度增加導(dǎo)致有效重力減小，從而驅(qū)動(dòng)力減??；② 隨著異重流頭部與環(huán)境水體摻混，異重流頭部密度減小，導(dǎo)致浮力損失.當(dāng)有植被群(φ>0)時(shí)，在均勻水體中，如圖4(b)，異重流在進(jìn)入植被群前呈加速狀態(tài)，在到達(dá)植被群后迅速進(jìn)入減速狀態(tài)，通過植被群后，會(huì)有1個(gè)“二次加速”的過程，在此過程中異重流所能達(dá)到的最大速度不亞于第一次加速階段峰值，其后異重流再進(jìn)入減速過程，并且異重流頭部瞬時(shí)速度隨φ的增大而減小.在層結(jié)水體中，圖5(c)和5(d)分別為S<1時(shí)和S>1時(shí)的各工況，由于植被群的阻擋作用，異重流經(jīng)過植被群后，異重流頭部尾部均表現(xiàn)出不同深度的水平入侵，使得從植被群中流出的重流體體積量減小，在二次加速過程中所達(dá)到的速度峰值比首次加速的分別至少小23%和30%，比均勻水體中的二次加速后的速度峰值分別至少小14%和36%.S越小，異重流從斜坡分離得越遲，不同φ導(dǎo)致的各工況之間差異在層結(jié)環(huán)境中縮小.

圖5 不同工況下異重流頭部速度發(fā)展過程Fig.5 Development process of head velocity in different cases

為進(jìn)一步分析植被阻擋效應(yīng)與異重流速度降低值的關(guān)系，表2給出了異重流分別在植被區(qū)域及其前、后的特性參數(shù)，其中ub、uv及ua分別為異重流頭部于植被前(距閘門0～38 cm)、植被區(qū)域(距閘門38～68 cm)、植被后(距閘門68 cm～斜坡底)的平均速度. 速度減幅R1及R2分別表示流過植被群異重流頭部速度減幅及異重流頭部運(yùn)動(dòng)至斜坡底端或進(jìn)入分離階段(層結(jié)水體中)的速度減幅，其計(jì)算式為

R1=(ub-uv)/ub

R2=(ub-ua)/ub

由表2可知，植被區(qū)域內(nèi)，植被對(duì)異重流存在阻擋效應(yīng)，并隨密度增加而增強(qiáng)，異重流動(dòng)能耗散增加，頭部速度減幅愈顯著，R1增大.流出植被后，異重流部分滯留于植被間，整體質(zhì)量減小. 隨著異重流繼續(xù)沿坡運(yùn)動(dòng)，植被的阻擋使得后續(xù)重流體無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充頭部，異重流頭部體積減小，動(dòng)力減小，速度減小，頭部速度隨植被密度增大，速度減幅增大，即R2增大.

表2 異重流各區(qū)域平均速度Tab.2 Average velocity of gravity currents in different zones

2.3 分離深度

線性層結(jié)環(huán)境中，異重流沿斜坡運(yùn)動(dòng)時(shí)，重流體與周圍水體不斷發(fā)生混合導(dǎo)致密度減小，在重流體到達(dá)斜坡“中性密度層”[15]的深度時(shí)，異重流會(huì)與斜坡分離并呈現(xiàn)不同深度下的水平入侵的趨勢(shì)[19-20].表3為不同工況下異重流分離深度.測(cè)量分離深度的具體方法如下：當(dāng)異重流通過植被群且運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持穩(wěn)定后，使用實(shí)驗(yàn)圖像分析對(duì)首次分離深度Hs1和二次分離深度Hs2進(jìn)行測(cè)量.文獻(xiàn)[18]表明，S<1時(shí)，異重流不會(huì)出現(xiàn)分離現(xiàn)象；而S>1時(shí)，異重流沿斜坡運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段：加速階段、減速階段及分離階段. 在本實(shí)驗(yàn)中，受植被群作用，異重流在S<1時(shí)就出現(xiàn)分離斜坡現(xiàn)象，這是因?yàn)楫愔亓髟诮?jīng)過植被群時(shí)，植被群頂端異重流處于混合層[17]，摻混劇烈，較之無(wú)植被群工況，該部分異重流密度減小顯著，導(dǎo)致提前分離. 隨著層結(jié)度的增加，異重流分離深度逐漸減小.

由表3可知， 當(dāng)環(huán)境水體S<1時(shí)，隨植被群密度的增加， 異重流的首次分離深度皆隨植被群密度的增加而減小，二次分離現(xiàn)象只出現(xiàn)于工況A2.這是因?yàn)楫?dāng)植被群密度較小(φ=4.5%)時(shí)，異重流在經(jīng)過植被群時(shí)，受植被作用增大其頭部厚度(增大與環(huán)境水體接觸面積)的同時(shí)，植被群對(duì)其間的重流體摻混影響較弱，使得在植被群頂端重流體在分離斜坡后，植被群間流出的重流體直接與環(huán)境水體摻混，密度減小幅度大于無(wú)植被工況(N2工況)，從而再次分離. 當(dāng)S>1時(shí)，隨植被密度增加，異重流首次分離深度與二次分離深度皆增大，這是因?yàn)橹脖幻芏鹊脑黾邮沟卯愔亓髟谥脖婚g所受阻力增大，與環(huán)境水體的摻混受到的抑制作用增強(qiáng)，植被間流出的重流體密度變化不大，故而分離深度變大.

表3 相對(duì)分離深度值比較Tab.3 Comparison of relative separation depth value

圖6 異重流在不同工況下的速度場(chǎng)和渦度場(chǎng)Fig.6 Velocity field and vorticity field in different cases

2.4 速度場(chǎng)與渦度場(chǎng)

為了解異重流在植被群作用下與周圍環(huán)境水體的摻混現(xiàn)象及由此引起的流場(chǎng)變化,本文利用 PIV獲得的速度場(chǎng)和渦度分布進(jìn)行分析.圖6所示為異重流流出3 cm植被群時(shí)以及相應(yīng)無(wú)植被群工況下相應(yīng)位置0.1 s內(nèi)平均速度場(chǎng)和渦度場(chǎng).圖中：箭頭表示速度；X為水平距離，λ為渦度. 從整體上來(lái)看，異重流內(nèi)部渦度場(chǎng)在與環(huán)境水體的交界面上渦度為正值，與底床交界附近渦度為負(fù)(順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)).其中，在底床交界層中，由于無(wú)滑移邊界條件以及底床邊界黏性作用產(chǎn)生負(fù)向渦度.在異重流與環(huán)境水體交界層中，湍動(dòng)作用引起的K-H(Kelvin-Helmholtz)渦和斜壓不穩(wěn)定性(密度與壓力梯度不平行)導(dǎo)致了正向渦度. 在正向渦度區(qū)域，受流體紊動(dòng)作用影響，速度場(chǎng)較為混亂.在負(fù)向渦度的區(qū)域，無(wú)植被工況速度方向比較一致，基本與斜坡平行向下，但速度大小存在差異(圖6(a)，6(b)). 對(duì)于有植被工況(圖6(c)、6(d))，由于植被間隙的存在，異重流底部與環(huán)境水體同樣存在混合過程，其速度方向不再平行于斜坡，并且這種傾斜程度隨植被密度的增加而減小.

由圖6(a)、6(b)可知，對(duì)比清水環(huán)境和層結(jié)環(huán)境下的異重流，異重流在清水中運(yùn)動(dòng)速度及其相應(yīng)的Re更大，導(dǎo)致其上、下交界層的渦度相較于層結(jié)環(huán)境下更大. 對(duì)比圖6(b)、6(c)，異重流自植被群經(jīng)過后，其上、下界面渦度皆有弱化. 對(duì)比圖6(c)、6(d) 可知，植被密度的增大使得異重流上、下界面的渦度俱弱化，這是因?yàn)殡S著植被密度的增大，植被間隙減小，植被頂端的異重流在垂向上與環(huán)境水體交換體積減小，摻混減弱.當(dāng)異重流自植被頂端躍下時(shí)，其上、下皆有環(huán)境水體與之混合，故其下界面亦有部分正向渦旋. 由于異重流與環(huán)境水體存在速度剪切和密度剪切作用，會(huì)在交界面上劇烈摻混而形成典型的K-H不穩(wěn)定現(xiàn)象. 層結(jié)環(huán)境對(duì)異重流上界面的K-H渦有抑制作用，削弱了上界面的摻混；同時(shí)植被的存在使得其頂端重流體處于混合層，摻混強(qiáng)烈，導(dǎo)致植被群流出的異重流密度大大減小，驅(qū)動(dòng)力減小，渦度減小，摻混減弱. 由于植被自身的陰影遮擋，異重流在其內(nèi)部的渦度場(chǎng)和速度場(chǎng)無(wú)法得到.

3 結(jié)論

通過在線性層結(jié)鹽水與均勻水體環(huán)境中進(jìn)行一系列對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)開閘式異重流沿斜坡途徑植被群的發(fā)展和演變特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1) 對(duì)于浸沒式植被群，異重流頭部在到達(dá)植被群后，部分鹽水會(huì)沿著植被頂端爬升，部分進(jìn)入植被間隙運(yùn)動(dòng)，還有部分被阻擋而滯留.均勻水體中通過植被群的部分鹽水依然可以形成半橢圓形的異重流頭部結(jié)構(gòu)，并沿斜坡繼續(xù)下潛運(yùn)動(dòng).在線性層結(jié)水體中，環(huán)境水體存在密度梯度，導(dǎo)致異重流通過植被群后，于不同深度處的重流體呈現(xiàn)緩慢的水平入侵趨勢(shì)，形成入侵體.

(2) 有植被群的情況下，層結(jié)和均勻水體環(huán)境中，異重流的頭部瞬時(shí)速度均表現(xiàn)為“加速— 減速—二次加速—二次減速”的過程，異重流各階段所能達(dá)到的峰值隨層結(jié)度增大而減小，且植被密度的增大而減小，頭部速度各階段之間的轉(zhuǎn)變位置前移，但受植被密度影響不明顯.在均勻水體中異重流在二次加速的過程中可以達(dá)到的最大速度不亞于經(jīng)過植被群前的速度.但是在分層水體中，S<1和S<1時(shí)在二次加速過程中所達(dá)到的峰值比首次加速的達(dá)到的峰值分別至少小23%和30%，比均勻水體中的二次加速峰值分別至少小14%和36%.植被群密度越大，異重流整體速度越小，該差異在層結(jié)環(huán)境中縮小.

(3) 受植被群影響，異重流在通過植被群后一分為二，出現(xiàn)兩次分離現(xiàn)象，且植被密度越大，兩次分離深度的差值越大.

(4) 層結(jié)水體和植被對(duì)異重流正負(fù)渦度發(fā)展均有抑制作用，植被密度的增大促進(jìn)植被對(duì)異重流渦度場(chǎng)的抑制.但分層水體對(duì)異重流渦度場(chǎng)的抑制作用更顯著. 當(dāng)兩者共同存在時(shí)，異重流的渦度最弱.

本文討論了在層結(jié)與均勻水體下浸沒式植被對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)的影響，僅考慮了一種坡度和一種植被高度下的情況，未來(lái)工作將開展更多影響因子并進(jìn)行系統(tǒng)的理論分析，以便更好地應(yīng)用于實(shí)際領(lǐng)域.