非淹沒剛性挺水植被對(duì)彎道水流特性的影響

趙瑜琪，彭清娥，史學(xué)偉，楊克君

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065)

彎曲河道的水動(dòng)力特性和水生植被的阻水作用是當(dāng)前河流動(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)問題，在彎道的水面橫比降[1-2]及流速重分布[3-4]等方向已取得一定成果，對(duì)植被阻力的分析主要從水流雷諾數(shù)[5]、能坡[6]和植被特性參數(shù)[7-10]等層面展開。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于彎道水沙運(yùn)動(dòng)的研究較少考慮到植被作用，而含植被水流的研究大多聚焦于順直河道。彎曲型河段作為沖積河流中常見的河型，由于“凹沖凸淤”的演變特征，其凸岸側(cè)更易生長(zhǎng)植被，含植被河道不僅受邊界黏性剪切力的作用，還因植被形態(tài)阻力而產(chǎn)生局部流速虧損[11]，如改變淹沒植被的屬性與排列方式均對(duì)河道糙率系數(shù)有一定影響[12]。因此，將植被因素加入河流動(dòng)力及生態(tài)學(xué)研究中具有重要的科學(xué)與實(shí)踐價(jià)值。

本文利用90°彎道水槽概化模型模擬天然河道，通過試驗(yàn)獲取典型斷面水深和三維流速數(shù)據(jù)，探討當(dāng)彎道凸岸側(cè)布設(shè)剛性非淹沒植被時(shí)，不同密度和生長(zhǎng)位置下各斷面的環(huán)流沿程分布規(guī)律（環(huán)流結(jié)構(gòu)及環(huán)流強(qiáng)度）。研究旨在明確植株“群體效應(yīng)”對(duì)彎道水流特性的改變，理解水體中營(yíng)養(yǎng)成分、污染物及泥沙的輸運(yùn)方式，為預(yù)測(cè)含植被彎道水流的流速分布、環(huán)流特性及河道治理等提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨冈O(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)彎道水槽

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?0°彎道水槽系統(tǒng)，平面布置如圖1所示，水槽上游設(shè)有水泵、儲(chǔ)水池、三角測(cè)量堰、靜水池和消能柵。上游順直段長(zhǎng)10.5 m，確保水流進(jìn)入彎道區(qū)域前形成穩(wěn)定狀態(tài)，下游順直段長(zhǎng)6.5 m，水槽寬為0.6 m，試驗(yàn)段內(nèi)徑為1.2 m，外徑為1.8 m，水槽高為0.8 m，全程固定坡度為5‰，尾門開度可以通過調(diào)節(jié)螺旋尾門手動(dòng)控制。

圖1 90°彎道水槽布置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of 90° curved flume

水槽上安裝有流速儀支架和測(cè)針架，支架在橫向設(shè)有滑軌，縱向安裝有滑動(dòng)螺絲，該設(shè)計(jì)可以在兩個(gè)方向上滿足流速儀的自由精確移動(dòng)，滿足不同測(cè)點(diǎn)的測(cè)量要求。試驗(yàn)選用挪威Nortek AS公司生產(chǎn)的多普勒聲速三維剖面流速儀，數(shù)據(jù)采樣頻率為100 Hz，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，將測(cè)量時(shí)間控制在60～90 s內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)可信度更高。流速儀的采樣區(qū)位于探頭下方4～7 cm處，可以消除探頭對(duì)水流的影響。原始數(shù)據(jù)采用文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行處理，當(dāng)同時(shí)滿足相關(guān)性大于70且信噪比在15以上時(shí)即可記錄保存，并利用MATLAB程序?qū)y(cè)得的瞬時(shí)速度轉(zhuǎn)換為時(shí)均流速。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)將植被布設(shè)在凸岸側(cè)0°～90°區(qū)間內(nèi)，植被段寬度設(shè)計(jì)為河道寬度的1/4。單株模型植被選用均勻圓柱形PVC簽，直徑4 mm，長(zhǎng)度30 cm，按照設(shè)計(jì)密度布置于帶有預(yù)留孔的PVC板中，該板由上游至下游緊密銜接，確保床底糙率一致。具體布設(shè)情況見圖2。

圖2 植被模型布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of vegetation layout

研究采用植被密度為2.2%和4.5%代表稀疏和茂密情況，密度計(jì)算方法為單株模型植被的底面積乘以總株數(shù)與植被群布設(shè)區(qū)域總面積的比值。在系列試驗(yàn)中，采取控制變量法，以距離試驗(yàn)段上游3.5 m處為控制水位斷面，通過調(diào)節(jié)尾門開度將水位控制在20 cm。

試驗(yàn)將植被密度及分布位置（長(zhǎng)度）作為主要變量，設(shè)計(jì)工況見表1。

表1 定床工況Tab. 1 Summary of design conditions

試驗(yàn)段上游到下游一共設(shè)有13個(gè)測(cè)量斷面（CS1～CS13），其中對(duì)0°～90°彎道段上CS5～CS11之間的7個(gè)斷面，分別以D0、D15、D30、D45、D60、D75和D90標(biāo)記。每個(gè)斷面設(shè)置有11條測(cè)線，測(cè)線間隔為5 cm，垂線序號(hào)由凸岸向凹岸遞增，斷面和測(cè)線的布置示意圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)斷面及測(cè)線布置Fig. 3 Schematic diagram of test section and line arrangement

2 彎道植被作用下水流特性

張紅武等[14]采用反證法從理論上證明了彎道中出現(xiàn)橫向環(huán)流的必然性，且根據(jù)環(huán)流產(chǎn)生機(jī)制分析，其在河汊、分水口附近及支流入?yún)R處都會(huì)存在，對(duì)河道物質(zhì)運(yùn)輸、調(diào)整動(dòng)量平衡等具有重要作用。研究以無植被作用下的彎道水流為參照，對(duì)比分析在不同植被密度、分布條件下彎道環(huán)流的位置、強(qiáng)度及規(guī)模等水流特性。

2.1 不同植被密度

2.1.1 環(huán)流結(jié)構(gòu)沿程分布 圖4是流量為0.035 m3/s，植被密度分別為0、2.2%、4.5%三種工況下各斷面橫向環(huán)流沿程分布（z/H為相對(duì)水深），D45～D75斷面間的環(huán)流結(jié)構(gòu)分布較相似，故以D60斷面作為代表斷面分析。

水流入彎道后環(huán)流逐漸發(fā)展，無植被條件下的環(huán)流沿程分布見圖4（a1）～（e1），可見，在D0斷面處流線已經(jīng)發(fā)生微彎，初步判斷可能是受彎道水流作用及水槽邊壁的阻礙作用形成了折沖水流[15]。D15斷面前橫向環(huán)流尚未完全成型，而D30斷面環(huán)流結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常明顯，此時(shí)環(huán)流中心位于z/H=0.2～0.3區(qū)間。到D45斷面時(shí)，橫向流速進(jìn)一步增大，環(huán)流中心靠近凸岸側(cè)。至彎道出口斷面（D90），環(huán)流范圍與橫向流速均有所減小，但因水流慣性作用，環(huán)流在彎道下游一定范圍內(nèi)仍存在影響。試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)水流過彎頂后環(huán)流會(huì)出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，在D75和D90斷面發(fā)現(xiàn)了這種趨勢(shì)，即在表層出現(xiàn)與主環(huán)流方向相反的次生環(huán)流，次生環(huán)流的位置應(yīng)該在凹岸上部。因此，彎道水流在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)雙渦二次流，試驗(yàn)中主環(huán)流即大尺度渦中心位于凸岸底部，次生環(huán)流即小尺度渦位于凹岸表面，雙渦二次流方向相反且尺度沿程變化。

由圖4可知，植被的存在使橫向環(huán)流發(fā)生的位置偏向非植被區(qū)，且高密度（ρ=4.5%）植被下的環(huán)流區(qū)域較低密度植被（ρ=2.2%）更大。同時(shí)，凹岸側(cè)底部水流的橫向流速明顯大于上部橫向流速，環(huán)流中心位于非植被區(qū)z/H=0.2水深位置。在彎道前端（0°～30°區(qū)間）未發(fā)現(xiàn)環(huán)流，且無植被工況下觀察到的次生環(huán)流在植被作用下也未出現(xiàn)，這表明植被會(huì)削弱環(huán)流的規(guī)模，改變其結(jié)構(gòu)及形成位置，但彎道環(huán)流并沒有隨著植被密度的增大而消減。

圖4 不同密度植被作用下斷面橫向環(huán)流分布Fig. 4 Transverse circulation distribution under different densities of vegetation

2.1.2 環(huán)流強(qiáng)度沿程分布 環(huán)流強(qiáng)度沿程分布較為復(fù)雜，與縱向流速、河彎半徑及水深等因素有關(guān)，本文采用環(huán)流旋度（橫向流速v/縱向流速u）作為衡量橫向環(huán)流強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，不同密度植被作用下沿程各斷面環(huán)流旋度分布如圖5所示。剖取z/H=0.1、z/H=0.3、z/H=0.5和z/H=0.7四個(gè)流層平面，試驗(yàn)中每個(gè)斷面選取5條測(cè)線代表凸岸區(qū)（x=0.17B～0.33B）、中心區(qū)（x=0.50B）和凹岸區(qū)（x=0.67B～0.83B）。

由圖5可知，無植被條件下在彎道前半段（D0～D45），凹岸側(cè)底層水流的環(huán)流強(qiáng)度要明顯高于上層，而上部水流（z/H＞0.5）的沿程環(huán)流旋度（絕對(duì)值）逐漸增大，在彎頂斷面后達(dá)到最大值，該趨勢(shì)說明次生環(huán)流在不斷發(fā)展；凸岸側(cè)及中心線附近的底部水流（z/H=0.1）在彎頂斷面達(dá)到最大環(huán)流旋度，強(qiáng)度持續(xù)到D75斷面后開始衰減，但在彎道下游一定范圍內(nèi)仍然存在。根據(jù)z/H=0.3流層的相對(duì)環(huán)流旋度沿程數(shù)值較小，可以判斷主環(huán)流中心位于z/H=0.3流層，且靠近凸岸位置，因?yàn)樵谥行狞c(diǎn)高度處會(huì)出現(xiàn)最小環(huán)流旋度。值得注意的是，主環(huán)流經(jīng)過彎頂斷面后環(huán)流旋度出現(xiàn)衰減趨勢(shì)，而凹岸側(cè)次生環(huán)流則沿程發(fā)展，在彎道出口斷面達(dá)到最大。該趨勢(shì)表明，水流經(jīng)過彎頂斷面后，次生環(huán)流對(duì)凹岸側(cè)的影響逐漸開始超過主環(huán)流。

圖5 不同密度植被作用下沿程環(huán)流旋度對(duì)比Fig. 5 Comparison of the intensity of circulation with different vegetation densities

而當(dāng)彎道存在植被時(shí)，斷面 D0～D30之間植被區(qū)對(duì)環(huán)流旋度的影響并不明顯，D30斷面后（彎道段中下游），隨著植被密度的增加環(huán)流旋度增大，這是由于凸岸側(cè)植被的阻力作用使得縱向流速大幅減小，尤其是環(huán)流中心z/H=0.3水深位置的環(huán)流旋度遠(yuǎn)大于斷面其他流層；圖5（b）表明，中心區(qū)（x/B=0.5）的環(huán)流旋度在植被作用下有所降低。低密度植被下（ρ=2.2%），彎道中下游z/H=0.1水深處的環(huán)流旋度要大于其他流層；高密度植被下（ρ=4.5%），z/H=0.5水深處的環(huán)流旋度大于其他流層，因此植被密度對(duì)各斷面不同水深處環(huán)流強(qiáng)度的作用效果不同，對(duì)其定量描述時(shí)需要綜合考慮斷面水深變化；由圖5（c）可知，植被作用下非植被區(qū)的沿程環(huán)流旋度趨于平穩(wěn)，不同水深位置環(huán)流旋度的差值較小。

2.2 不同植被位置

2.2.1 環(huán)流結(jié)構(gòu)沿程分布 為研究凸岸側(cè)植被段的位置對(duì)彎道環(huán)流結(jié)構(gòu)的影響，將植被區(qū)分布鋪設(shè)為0°～30°、0°～60°及0°～90°三種工況，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)D0～D15斷面的環(huán)流形態(tài)較不明顯，而D45～D60斷面、D75～D90斷面的環(huán)流結(jié)構(gòu)和規(guī)模相似，故分別以D60和D90作為代表斷面分析，其橫向環(huán)流沿程分布如圖6所示。

圖6 不同格局植被作用下斷面橫向環(huán)流分布Fig. 6 Distribution of bend circulation with the vegetation at different locations

由圖6可知，D30附近環(huán)流現(xiàn)象逐漸形成，此時(shí)環(huán)流規(guī)模較小。下游（D45～D90）環(huán)流進(jìn)一步發(fā)展，且主要位于x/B=0.75的非植被區(qū)（凹岸側(cè)）和植被區(qū)邊緣之間，環(huán)流中心約在z/H=0.2水深處。0°～60°和0°～30°植被段上的環(huán)流結(jié)構(gòu)分布規(guī)律相似。

與無植被條件下斷面環(huán)流分布相比，植被作用下環(huán)流的規(guī)模減小，環(huán)流中心下降。3種植被布設(shè)方式均抑制了0°～30°彎道段環(huán)流的產(chǎn)生，其中0°～90°植被段對(duì)彎道環(huán)流的削弱作用最大，橫向環(huán)流的中心被壓縮向凹岸側(cè)，在彎道出口處環(huán)流趨于消失。

2.2.2 環(huán)流強(qiáng)度沿程分布 植被在不同布設(shè)方式（長(zhǎng)度）下，沿程各斷面環(huán)流旋度（橫向流速/縱向流速）的分布見圖7。

圖7 不同位置植被作用下沿程環(huán)流旋度對(duì)比Fig. 7 Comparison of the circulation curl with vegetation at different locations

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，植被區(qū)的環(huán)流旋度一般在植被尾段較大，如0°～30°植被段的D15斷面附近，0°～60°植被段的D45斷面附近，以及0°～90°植被段的彎道出口處。從中心線環(huán)流強(qiáng)度的沿程變化來看，植被段布設(shè)長(zhǎng)度的變化導(dǎo)致沿程環(huán)流旋度數(shù)值整體減小，尤其是對(duì)彎道中下游，且0°～90°植被段對(duì)彎道環(huán)流的削弱效果相對(duì)更明顯。凹岸側(cè)環(huán)流旋度整體較平穩(wěn)，受植被布設(shè)方式影響較小。

3 結(jié) 語

本文通過物理模型研究了在90°彎曲河道中，凸岸側(cè)布設(shè)剛性非淹沒植被對(duì)彎道水流特性的影響，研究表明，植被阻力減緩了彎道前段主環(huán)流的發(fā)展，且環(huán)流中心向無植被區(qū)（凹岸側(cè)）底層轉(zhuǎn)移，次生環(huán)流消失；植被段的縱跨越長(zhǎng)，對(duì)彎道環(huán)流的削弱作用越大，在一定范圍內(nèi)抑制了縱向紊動(dòng)強(qiáng)度，凸岸側(cè)垂向紊動(dòng)明顯減弱。此外，相比于高密度植被（ρ=4.5%），低密度植被（ρ=2.2%）對(duì)彎道環(huán)流的消減作用更強(qiáng)，環(huán)流區(qū)域更小，初步判斷是由于高密度植被作用下，動(dòng)能交換強(qiáng)度更大從而影響范圍越大，其間是否存在臨界密度值還需進(jìn)一步研究。