含剛性漂浮植被群河道水流特性試驗(yàn)研究

周弋玲，景何仿，王維紅，陳秋同

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2. 北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3. 北方民族大學(xué)數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

天然河流中分布著許多水生植被，水生植被的存在增大了水流的阻力，降低河流的過(guò)流能力［1］， 同時(shí)改變了河流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得水流形態(tài)更為復(fù)雜［2］。植被有不同的剛度、柔韌度、高度和水中分布位置，以不同的方式影響水流量，根據(jù)植被在水中的分布位置可將水生植被分為挺水植被、沉水植被、漂浮植被和浮葉植被。一方面漂浮植被繁衍能力較強(qiáng)，不受自然條件約束，會(huì)迅速覆蓋整個(gè)水面，對(duì)行洪排澇和其他水生生物繁衍產(chǎn)生不利影響［3，4］。另一方面漂浮植被能夠吸收河流中過(guò)剩的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有害物質(zhì)，改善水質(zhì)，提高去除污染物效率，為水生動(dòng)物提供適宜的棲息地［5］，同時(shí)遮蔽射入水中的陽(yáng)光，抑制水體中藻類的生長(zhǎng)，常用于生態(tài)工程中凈化污水和富營(yíng)養(yǎng)化的水體，也因其外形美觀逐漸用于人工生態(tài)河道和濕地的建設(shè)［6］。漂浮植被附近的水流結(jié)構(gòu)和泥沙淤積會(huì)影響到漂浮植物的生長(zhǎng)狀況。因此關(guān)于漂浮植被群落對(duì)水流的水力特性影響的研究有較大價(jià)值。

近年來(lái)，由于含植被河道的水流流動(dòng)有著復(fù)雜的生態(tài)和水動(dòng)力效應(yīng)，人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室研究和數(shù)值模擬研究。試驗(yàn)研究方面，焦軍麗等［7］探討了不同密度的非淹沒(méi)的剛性植被群對(duì)河道水流紊動(dòng)特性的影響，得出植被群密度與下游紊動(dòng)強(qiáng)度的波動(dòng)成正比。楊彧等［8］對(duì)淹沒(méi)剛性植被群狀態(tài)下，不同的布置方式的彎道水流特性進(jìn)行了研究。宋瀅汀等［9］通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了多種排列方式和多種淹沒(méi)度的剛性植被作用下水流特性分布規(guī)律。Shi 等［10］通過(guò)用剛性木制圓柱體模擬圓形植被斑塊，試驗(yàn)分析泥沙顆粒尺寸、密度及水流流速對(duì)植被斑塊周圍泥沙沉積的影響。Li 等［11］測(cè)量不同密度下的剛性淹沒(méi)植被斑塊發(fā)現(xiàn)植被密度影響植被斑塊后方流速的橫向和縱向分布，植被斑塊后方左右兩側(cè)深度平均流速隨著植被密度的增大而增大。張凱等［12］利用三維激光多普勒測(cè)速儀（ADV）研究了不同植被密度和不同流量對(duì)含柔性植被河道水流特性的影響?；蔽男诺龋?3］總結(jié)了柔性淹沒(méi)植被情況下的河床糙率公式。樊新建等［14］對(duì)不同排列方式下柔性淹沒(méi)植被的水流特性進(jìn)行測(cè)量研究。Huai 等［15］通過(guò)光譜和象限分析得到淹沒(méi)柔性植被斑塊在湍流中的動(dòng)量傳遞特性。Downing-Kunz 等［16］使用ADV 研究了具有羽狀根系的自由漂浮水生植物根冠層的水動(dòng)力效應(yīng)。Plew 等［17］用剛性圓柱模型模擬漂浮植被，采用ADV 和二維粒子跟蹤測(cè)速儀測(cè)量不同入水深度的漂浮植被明渠水流的流場(chǎng)分布。韓麗娟等［18］用電子應(yīng)力計(jì)基于邊界層理論對(duì)漂浮植被受到的拖曳力進(jìn)行分析。數(shù)值模擬方面，Zhao等［19］通過(guò)水槽試驗(yàn)驗(yàn)證了大渦模型（LES），利用LES 分析不連續(xù)剛性淹沒(méi)植被斑塊流動(dòng)的平均速度分布和湍流特性。Jing等［20］采用格子玻爾茲曼法（LBM）對(duì)水槽中含剛性植被的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二維數(shù)值模擬。許棟等［21］開(kāi)展流固耦合數(shù)值模擬，研究柔性植被在水流作用下的彎曲及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析植被渦激振動(dòng)特性及水流阻力規(guī)律，表明植被剛度影響植被的阻水規(guī)律。蔡銀娟等［22］在多松弛模型中加入植被拖曳力，對(duì)不同密度和排列方式組合的非淹沒(méi)剛性植被的水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多集中于對(duì)含挺水或沉水植被的明渠水流水力特性研究，而對(duì)漂浮植被的研究相對(duì)較少。植被的空間分布很少是均勻的，常以群落的形式出現(xiàn)在河道中［23-25］，而大多數(shù)研究集中在單個(gè)植被或由植被組成的單個(gè)植被斑塊，而由多個(gè)植被斑塊組成的植被群落的研究成果較為匱乏?；谝陨锨闆r，本文運(yùn)用矩形截面玻璃水槽模擬天然河流，以剛性漂浮植被群落為研究對(duì)象，采用JFM（Joy Fluid Measurement）系列的高速粒子圖像測(cè)速儀（PIV）和無(wú)線超聲波水位測(cè)量系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)斷面的水位和流速進(jìn)行測(cè)量，研究剛性漂浮植被群不同入水深度、布置方式、植被密度對(duì)河道沿程水深變化、縱向流速分布、紊流強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)是在北方民族大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)U 型自循環(huán)可變坡水槽進(jìn)行的，該水槽總長(zhǎng)38 m，其中上、下游水槽直段長(zhǎng)16 m，中部為中心角180°彎道進(jìn)行連接，長(zhǎng)為6 m，過(guò)流斷面為邊長(zhǎng)0.8 m 的正方形。水槽壁面和底部均為鋼化玻璃，尾門(mén)為自動(dòng)推拉式人字門(mén)，水槽底坡為0.1%順坡。

流場(chǎng)測(cè)量利用PIV系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由片狀光源（激光）、高速CCD 相機(jī)和示蹤粒子組成，試驗(yàn)時(shí)使用StreamPix 軟件以28.5 fps（每秒幀數(shù)）連續(xù)采集獲得2 000 個(gè)高分辨率粒子照片，然后使用PIV 計(jì)算軟件對(duì)2 000 個(gè)瞬時(shí)流場(chǎng)處理得到時(shí)均流場(chǎng)。水位利用超聲實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量， 測(cè)量探頭對(duì)稱布置在水槽兩岸， 水位和流量在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)讀取。植被由相對(duì)堅(jiān)硬的莖組成，它們的橫截面通常呈圓形，在水面以下沒(méi)有葉子，因此常用剛性圓柱體來(lái)代替天然根莖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該試驗(yàn)用長(zhǎng)0.9 m，直徑0.01 m 的圓柱形玻璃棒來(lái)模擬剛性漂浮植被，單株植被按照一定密度交錯(cuò)排列成矩形植被斑塊，本研究中由兩個(gè)植被斑塊構(gòu)成植被群落。在水槽頂部安裝了可以沿水槽自由移動(dòng)的雙層長(zhǎng)方形玻璃架用來(lái)固定玻璃棒，實(shí)驗(yàn)時(shí)可自由調(diào)整玻璃棒入水深度。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)儀器設(shè)備Fig.1 Measured instruments

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)中的植被群落由兩個(gè)植被斑塊構(gòu)成，第一塊植被斑塊位于距離入水口10 m處，第二塊植被斑塊位于距離入水口11 m，兩塊植被斑塊沿水流方向長(zhǎng)均為0.50 m，沿垂直于水流方向?qū)挾雀鶕?jù)不同工況設(shè)置為0.8 m 和0.4 m 兩種情形。為研究植被入水深度對(duì)水流特性的影響，該試驗(yàn)共設(shè)置了8種工況，水槽進(jìn)口處流量均為0.052 m3/s，通過(guò)尾門(mén)控制出口處水深為0.14 m，初始平均速度為0.5 m/s。其中工況1 為對(duì)照組，不設(shè)置植被，工況2～4 的入水深度分別為0.13、0.08、0.04 m，布置方式均為全斷面布置，植被密度均為2.297%。工況5 和工況6 的入水深度均為0.04 m，布置方式分別為1/2 同側(cè)布置和1/2 異側(cè)布置，密度均為2.297%，工況7 和工況8 的入水深度均為0.04 m，布置方式均為全斷面布置，植被密度分別為1.590%和1.237%。植被各工況的實(shí)驗(yàn)組次見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)工況基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of experimental conditions

在植被區(qū)及上下游選擇7 個(gè)橫斷面進(jìn)行流速測(cè)量，分別位于距離水槽進(jìn)水口9.70、10.00、10.25、10.75、11.25、11.50、11.80 m處（編號(hào)為斷面a～斷面g）。在各測(cè)流斷面上設(shè)置5條測(cè)線，分別位于距離右岸0.10、0.25、0.40、0.55、0.70 m 處。水位測(cè)量斷面在流速測(cè)量斷面基礎(chǔ)上增加3 個(gè)斷面，一共設(shè)置了10 個(gè)測(cè)量斷面，增加的3 個(gè)斷面分別是離水槽進(jìn)水口10.50、11.00、12.10 m（編號(hào)為斷面1～斷面10）。每個(gè)水位測(cè)量斷面左右兩岸各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。流速、水位測(cè)量斷面及流速測(cè)線位置如圖2所示。各個(gè)工況植被具體布置方式如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)斷面及測(cè)線布置（單位：m）Fig.2 Measured cross-sections and lines arrangement

圖3 不同工況植被平面布置圖（單位：m）Fig.3 Vegetation positions of various cases

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測(cè)水位沿程分布

為了反映不同入水深度、布置方式以及密度對(duì)水面坡降的影響，將試驗(yàn)區(qū)域分為上游、中游、下游3個(gè)子區(qū)域，上游為斷面1～斷面4，總長(zhǎng)0.8 m；中游為斷面4～斷面6，總長(zhǎng)0.5 m；下游為斷面6～斷面10，總長(zhǎng)1.0 m?，F(xiàn)將8 種工況下水面坡降計(jì)算出來(lái)，如表2 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)區(qū)域中游水面坡降最小，上游水面坡降最大，即植被斑塊之間水面變化最小，第一塊植被斑塊前后水面變化最大。影響因素中入水深度對(duì)水面坡降影響最大，植被布置方式的影響次之，植被密度的影響最小。

表2 不同工況水面坡降Tab.2 Water surface slope under different cases

為了研究漂浮植被群對(duì)水位的影響，將8 種典型工況下研究區(qū)域處的水位沿程分布進(jìn)行了對(duì)比，如圖4 所示，圖4 中采用平均水深H對(duì)測(cè)量水位進(jìn)行無(wú)量綱化處理。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，受漂浮植被阻力作用，水流對(duì)植被區(qū)上游有明顯的壅高作用，在植被區(qū)下游又逐漸回落。無(wú)植被時(shí)，流量不變，水位處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，變化不大。當(dāng)布置植被時(shí)，植被區(qū)上游水位壅高，進(jìn)入第一個(gè)植被斑塊后逐漸下降，在第二個(gè)植被斑塊前又逐漸上升，當(dāng)進(jìn)入第二塊植被斑塊后再次下降，流出整個(gè)植被區(qū)后逐漸恢復(fù)至原來(lái)水位。

圖4 不同工況下沿程水位分布Fig.4 Water level distribution along the way under different cases

通過(guò)比較工況2～4發(fā)現(xiàn)，在同一排列方式和密度條件下，植被入水深度越大，水面壅高及水面坡降也越大。對(duì)比工況4～6發(fā)現(xiàn)，在同一入水深度和植被密度情況下，全斷面布置比半側(cè)布置的工況的水面壅高和水面坡降的影響更大，其中，1/2 同側(cè)布置比1/2 異側(cè)布置的工況對(duì)上游的水面坡降影響較大，對(duì)中游水面坡降影響較小，對(duì)下游水面坡降影響不太明顯。對(duì)比工況4、7、8發(fā)現(xiàn)，在同一入水深度和排列方式條件下，植被密度越大，水面壅高和水面坡降越大，綜合來(lái)看，植被入水深度比植被布置方式和植被密度對(duì)水面坡降和水面壅高的影響更大。

2.2 實(shí)測(cè)流速比較分析

針對(duì)流速測(cè)量斷面d，橫向選取與右岸相對(duì)距離為y/B=0.5的垂線，各工況下的縱向流速沿垂向分布如圖5 所示。對(duì)比工況1～4 可以看出，無(wú)植被時(shí)，僅考慮槽底糙率的影響，水流流速分布符合明渠水流分布規(guī)律。在布置漂浮植被后，水流流速受到槽底和植被的共同作用，沿垂向重新進(jìn)行分配，與工況1有所不同。工況2 植被入水深度與水深相同，相當(dāng)于非淹沒(méi)挺水植被的情形，水流流速整體較小，沿垂向變化幅度較小，近似呈直線型分布。工況3 和工況4 植被入水深度不同，植被群根部以下與流速增加，植被群根部流速很小，而最大流速出現(xiàn)在植被群根部到水槽底部連線的中心處。相比較而言，若植被入水深度較大，則植被群根部以下區(qū)域最大流速也相應(yīng)較大。其原因是漂浮植被根系的阻水作用，根系附近速度減小，但植被根部以下區(qū)域由于過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的減小，導(dǎo)致水流速度增加，而且隨著植被入水深度的增加，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減小幅度增大，平均水流流速也相應(yīng)增加幅度變大。

圖5 不同工況縱向流速沿垂向分布Fig.5 Distribution of longitudinal flow velocity along the vertical direction of different cases

對(duì)比分析工況4～6 發(fā)現(xiàn)，植被的布置方式對(duì)水流縱向流速沿垂向分布也有一定影響，但總體影響相對(duì)較小。相比較而言，半側(cè)布置植被（工況5 和工況6）后縱向流速沿垂向的平均值要大于全斷面布置植被的情形，同側(cè)布置植被的平均流速要大于異側(cè)布置的情形 。

植被群的密度對(duì)植被區(qū)水流流速分布有較大影響。隨著植被群密度的增加，漂浮植被根部以上區(qū)域水流流速減小，而根部以下區(qū)域及沒(méi)有布置植被的另一側(cè)區(qū)域水流流速增大。水流經(jīng)含植被的河道時(shí)自由表面會(huì)呈現(xiàn)振蕩行為，植被密度越大，植被群內(nèi)的振幅越高［11］。從圖5可以看出，隨著植被群密度的增加，植被群根部以下區(qū)域水流流速與植被群密度呈正相關(guān)，即流速隨著植被群密度的增大而增加，而植被群根部以上區(qū)域與植被群密度呈負(fù)相關(guān)，即流速隨著植被群密度的增大而減小。

為了反映植被的布置方式對(duì)水流流速沿橫向分布的影響，以工況4、5、6為例，選擇4個(gè)典型流速測(cè)量斷面c、d、e和g，在其上取距離水槽底部0.1 m 的水平線上的縱向流速進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6 工況4～6縱向流速沿橫向分布Fig.6 Distribution of longitudinal flow velocity along transverse direction of Cases 4～6

圖6表明，植被布置方式對(duì)縱向水流流速影響較大，各斷面處的縱向流速沿橫向分布有明顯不同。工況4由于全斷面布置植被，流速沿橫向分布比較均勻，工況5 中，兩個(gè)植被斑塊均布置在水槽右岸附近，右岸附近受到植被阻力影響，流速變小，水流被挑到左岸，左岸流速變大。因此，工況5 條件下，不同斷面處縱向流速呈左高右低的趨勢(shì)，但在靠近左岸處，由于邊壁的阻力影響，流速變小。工況6 中，第一個(gè)植被斑塊靠近右岸，而第二個(gè)植被斑塊靠近左岸，因此，在第一個(gè)植被斑塊所在斷面c上，流速?gòu)挠野兜阶蟀兑渤尸F(xiàn)增大趨勢(shì)，而在兩個(gè)植被塊中間的斷面d 上，水流一方面受到上游植被斑塊的作用，另一方面，也受下游植被斑塊的影響，流速沿橫向分布比較均勻。在第二個(gè)斑塊所在斷面e 上，縱向流速呈左低右高趨勢(shì)。在斷面g 上，受第二個(gè)植被斑塊的影響，縱向流速仍呈左低右高的趨勢(shì)。

工況5 同側(cè)布置植被（植被斑塊均布置在右側(cè)），靠近右岸流速沿水流方向逐漸變小，左岸流速沿水流方向逐漸變大，縱向流速橫向變化幅度沿水流方向逐漸增大，在斷面e處流速沿y方向變化幅度達(dá)到最大，這種現(xiàn)象稱為疊加效應(yīng)。工況6 異側(cè)布置植被，水流受到兩側(cè)植被斑塊的作用，流速沿橫向的變化趨勢(shì)由左高右低先變?yōu)榻扑?，然后變?yōu)橛腋咦蟮停缓笥肿優(yōu)榻扑?，這種現(xiàn)象稱為中和效應(yīng)。

2.3 紊動(dòng)強(qiáng)度分布

現(xiàn)在來(lái)研究漂浮植被對(duì)河道水流紊動(dòng)強(qiáng)度的影響，由于漂浮植被的存在，導(dǎo)致水流紊動(dòng)作用的加強(qiáng)，從而影響河道中泥沙和污染物的輸移。用紊動(dòng)強(qiáng)度TKE（Turbulence Kinetic Energy）表征紊流特性。通過(guò)PIV 系統(tǒng)測(cè)量觀測(cè)斷面的瞬時(shí)流速，采樣頻率為28.5 fps，采樣時(shí)間為80 s 左右，每個(gè)觀測(cè)斷面得到2 000 個(gè)瞬時(shí)流場(chǎng)，再對(duì)2 000 個(gè)瞬時(shí)流場(chǎng)取均值得到時(shí)均流速，紊動(dòng)強(qiáng)度由脈動(dòng)流速的均方根來(lái)表示，脈動(dòng)流速為瞬時(shí)流速與時(shí)均速度之差，所以紊動(dòng)強(qiáng)度（TKE）計(jì)算公式為：

式中：N為采樣次數(shù)；u′i為脈動(dòng)速度；ui為瞬時(shí)速度；為時(shí)均速度。

由植被斑塊組成的植被群影響著植被群附近范圍內(nèi)的紊動(dòng)強(qiáng)度分布。為了便于比較，文中將（1）中計(jì)算得到的紊動(dòng)強(qiáng)度用斷面平均流速U進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即用TKE/U來(lái)表示紊動(dòng)強(qiáng)度。

針對(duì)各種工況，在每個(gè)測(cè)流斷面上的河道中心線上，選取距離水槽底部0.11 m處，利用PIV所測(cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 不同工況下紊流強(qiáng)度沿程分布Fig.7 Distribution of turbulent kinetic energy along the way of different cases

可以發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有布置植被的水槽中紊動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，一般位于0.05～0.1之間，布置植被群后，各斷面處紊動(dòng)強(qiáng)度均有一定程度的增幅。斷面a 和b 位于植被區(qū)上游，布置植被前后增幅較小。斷面c 和e 分別位于第一、二植被斑塊內(nèi)，受漂浮植被擾流作用，紊動(dòng)強(qiáng)度變幅較大，為沒(méi)有布置漂浮植被的1～4倍左右。斷面d 位于兩個(gè)植被斑塊之間的無(wú)植被區(qū)域，紊動(dòng)強(qiáng)度變幅相對(duì)較小。斷面f和g位于第二個(gè)斑塊下游區(qū)域，受上游植被群的影響，紊動(dòng)強(qiáng)度變幅仍較大。

為了進(jìn)一步研究紊動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律，選取兩個(gè)植被斑塊之間的斷面d，每個(gè)斷面取距左岸分別為1/4B、1/2B、3/4B 的三條垂向測(cè)線，將8 個(gè)工況下的紊動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，如圖8 所示?？梢钥吹剑诓徊贾弥脖粫r(shí)（工況1），紊動(dòng)強(qiáng)度從床面向水面呈減小的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)［21］中的結(jié)論是一致的。工況2 入水深度等于水深，根部接觸到水槽底部，各條測(cè)線上紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂向分布均勻，這與流速沿垂向的分布基本一致。這是因?yàn)楣r2條件下，全斷面布置植被，且為非淹沒(méi)挺水情形，因此，沿垂向水流接近均勻，流速和紊動(dòng)強(qiáng)度均是均勻的。工況3 和工況4與工況2植被布置方式類似，也是全斷面布置植被，但植被入水深度分別為水深的1/2 和1/4。這時(shí)由于植被對(duì)水流的擾動(dòng)作用，水體間動(dòng)量交換劇烈，加強(qiáng)了紊動(dòng)效應(yīng)。在漂浮植被根系附近和床面附近，紊動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到的極大值，而在植被根部和床面的連線中點(diǎn)附近，紊動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到極小值。植被群根部上方水體的紊動(dòng)強(qiáng)度大于下方水體，但下方水體的紊動(dòng)強(qiáng)度變化比較劇烈。

圖8 不同工況下紊流強(qiáng)度沿垂向分布Fig.8 Distribution of turbulent kinetic energy along vertical direction of different cases

現(xiàn)在來(lái)研究植被斑塊布置位置對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度的影響，圖8 中（d）、（e）、（f）表示在植被斑塊位置不同時(shí)紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂向的分布?？梢钥闯觯珨嗝娌贾弥脖粫r(shí)（工況4），紊動(dòng)強(qiáng)度在不同測(cè)線上分布基本相同，而僅單側(cè)布置植被（工況5）和異側(cè)布置植被（工況6）時(shí)，各條測(cè)線上穩(wěn)定強(qiáng)度沿垂向分布有較大差別。紊動(dòng)強(qiáng)度在植被區(qū)與無(wú)植被區(qū)的交界處最大，所以植被斑塊半側(cè)布置的工況5 和工況6 的河道中心斷面的紊動(dòng)強(qiáng)度最大，這是因?yàn)樵谥脖话邏K旁水體擾流作用增強(qiáng)，橫向流速加大，導(dǎo)致其紊動(dòng)強(qiáng)度變大。對(duì)于工況5來(lái)說(shuō)，在植被群根部以上水體，水槽右側(cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度大于水槽左側(cè)。而異側(cè)布置的工況6，在上方植被層中，同工況5一樣，水槽右側(cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度大于水槽左側(cè)的紊動(dòng)強(qiáng)度。

現(xiàn)在來(lái)研究植被群密度對(duì)水流強(qiáng)度的影響。圖8 中（d）、（g）、（h）分別代表全斷面布置植被，植被入水深度相同，但植被群密度分別為2.297、1.590、1.237時(shí)測(cè)流斷面d上不同測(cè)線上紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂向的分布?？梢钥闯觯脖蝗好芏葘?duì)紊動(dòng)強(qiáng)度分布有一定影響。針對(duì)植被群根部以下水體，不同植被群密度對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度影響較小，沒(méi)有明顯區(qū)別；但對(duì)于植被群根部以上水體，紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂向呈增大趨勢(shì)，且紊動(dòng)強(qiáng)度隨植被群密度減小而增大。這是因?yàn)?，隨著植被群密度的減小，植被群對(duì)水流的阻水作用減弱，流速變大，且沿垂向變化幅度增大，導(dǎo)致紊動(dòng)強(qiáng)度也相應(yīng)變大。

3 結(jié) 論

本文利用PIV對(duì)含漂浮植被的實(shí)驗(yàn)室水槽水流有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析比較。試驗(yàn)中，用玻璃棒代替植被，設(shè)置了8 種典型工況，研究了植被根系入水深度、植被布置方式、植被群密度對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，主要結(jié)論如下。

（1）漂浮植被對(duì)植被區(qū)上游水位有明顯壅高作用，從而產(chǎn)生一定水面坡降。當(dāng)布置漂浮植被后，植被區(qū)上游水位壅高，進(jìn)入第一個(gè)植被斑塊后逐漸下降，在第二個(gè)植被斑塊前又逐漸上升，進(jìn)入第二塊植被斑塊后再次下降，流出整個(gè)植被區(qū)后逐漸恢復(fù)至原來(lái)水位；在同一排列方式和密度條件下，植被入水深度越大，水面壅高及水面坡降越大；在同一入水深度和植被密度情況下，植被全斷面布置比半側(cè)布置的工況的水面壅高和水面坡降的影響更大；植被同側(cè)布置異側(cè)布置對(duì)上游水面坡降影響較大，對(duì)中游水面坡降影響較小，對(duì)下游水面坡降影響不太明顯；在同一入水深度和排列方式條件下，植被群密度越大，水面壅高和水面坡降越大。

（2）漂浮植被群的入水深度及布置方式對(duì)水流流速分布有顯著影響。植被群根部以下自由水體的流速增加而上部水體水流速度減小，最大流速出現(xiàn)在植被根系末端與水槽連線的中點(diǎn)附近。增加植被入水深度，導(dǎo)致植被群根部以下水頭流速增大，同時(shí)流速最大值位置也隨入水深度的增加而下移；植被布置方式對(duì)水流流速分布有顯著影響，半側(cè)布置植被縱向流速沿垂向的平均值要大于全斷面布置植被的情形，同側(cè)布置植被的平均流速要大于異側(cè)布置的情形。

（3）漂浮植被群的密度對(duì)植被區(qū)水流流速分布也有一定影響。隨著植被群密度的增加，漂浮植被根部以上區(qū)域水流流速減小，植被群根部以上區(qū)域與植被群密度呈負(fù)相關(guān)，而根部以下區(qū)域水流流速增大，植被群根部以下區(qū)域水流流速與植被群密度呈正相關(guān)。

（4）漂浮植被群的入水深度和布置方式對(duì)水流紊動(dòng)強(qiáng)度的分布有較大影響。在漂浮植被根系附近和床面附近，紊動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到的極大值，而在植被根部和床面的連線中點(diǎn)附近，紊動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到極小值。植被群根部上方水體的紊動(dòng)強(qiáng)度大于下方水體，但下方水體的紊動(dòng)強(qiáng)度變化比較劇烈；全斷面布置漂浮植被后，紊動(dòng)強(qiáng)度在不同測(cè)線上分布基本相同，而單側(cè)布置植被和異側(cè)布置植被時(shí)，各條測(cè)線上紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂向分布有較大差別，紊動(dòng)強(qiáng)度在植被區(qū)與無(wú)植被區(qū)的交界處最大。

（5）植被群密度對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度分布有一定影響。針對(duì)植被群根部以下水體，不同植被群密度對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度影響較小，沒(méi)有明顯區(qū)別；但對(duì)于植被群根部以上水體，紊動(dòng)強(qiáng)度沿垂向呈增大趨勢(shì)，且紊動(dòng)強(qiáng)度隨植被群密度減小而增大。