淹沒剛性植被明渠紊流沿程流動(dòng)特性差異

陳月君 趙連軍 王瑤 朱子春 談廣鳴 王明陽

摘要：淹沒剛性植被通過改變水流結(jié)構(gòu)，造成時(shí)均流速、紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力等水力參數(shù)垂線分布不均勻和沿程差異化。采用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（ADV）測(cè)量3種淹沒度（3.0、4.0、5.0）下的流速，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，系統(tǒng)分析植被段內(nèi)及其上、下游過渡段流速和紊動(dòng)特性差異。結(jié)果表明：植被顯著增強(qiáng)了水流紊動(dòng)，且紊動(dòng)特性取值與淹沒度正相關(guān);植被段內(nèi)流速差異在低淹沒度下的植被層內(nèi)和高淹沒度下的自由流動(dòng)層內(nèi)更加顯著，而紊動(dòng)特性沿程增強(qiáng)，且垂線分布具有相似性，最大值點(diǎn)位于冠層頂部附近;當(dāng)淹沒度滿足KH渦的形成和發(fā)展條件時(shí)，隨淹沒度的增大，植被段內(nèi)紊動(dòng)特性垂線分布出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（臨近此點(diǎn)梯度急劇減小并趨于0）的斷面數(shù)量增多，經(jīng)驗(yàn)證，在充分發(fā)展的紊流區(qū)此點(diǎn)可作為KH渦的上邊界點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：剛性植被;淹沒度;時(shí)均流速;紊動(dòng)特性;聲學(xué)多普勒測(cè)速儀

中圖分類號(hào)：TV131.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6791（2024）02-0256-09

收稿日期：2023-08-03;網(wǎng)絡(luò)出版日期：2024-01-04

網(wǎng)絡(luò)出版地址：https：//link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20240104.0957.002

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2023YFC3206201）;國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（U2243219）

作者簡(jiǎn)介：陳月君（1990—），女，河南洛陽人，工程師，博士，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。

E-mail：chen_yuejun1990@163.com。

通信作者：趙連軍，E-mail：zhaolianjun88@163.com

在河流治理與生態(tài)修復(fù)過程中，淹沒水生植物群落冠層附近會(huì)形成不斷向下游發(fā)展的Kelvin-Helmholtz（KH）渦，主導(dǎo)著水體的質(zhì)量和動(dòng)量交換，對(duì)減輕河床沖刷和河岸侵蝕、凈化水質(zhì)、供給有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)等具有重要作用^［1-2］。KH渦作為一種大尺度的紊流渦結(jié)構(gòu)，是造成時(shí)均流速、紊動(dòng)特性等水力參數(shù)沿程差異化的顯著因素，而該差異對(duì)河道水沙及生物群落的空間分布具有深遠(yuǎn)影響^［3-4］。因此，開展相關(guān)研究不僅可指導(dǎo)工程實(shí)踐，同時(shí)可為生態(tài)水力學(xué)及紊流力學(xué)提供理論支撐^［5-6］。

國內(nèi)外學(xué)者開展了大量淹沒植被水流水槽試驗(yàn)研究。Ghisalberti等^［7］發(fā)現(xiàn)與光滑明渠紊流不同，淹沒植被水流垂向阻力不連續(xù)，時(shí)均流速在植被頂部附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，使得水流出現(xiàn)KH不穩(wěn)定現(xiàn)象，進(jìn)而形成了大尺度KH渦。與非淹沒植被水流相比，淹沒植被水流在KH渦沿流充分發(fā)展后的流速垂線分布呈“S”型，且紊動(dòng)強(qiáng)度和雷諾應(yīng)力在植被頂部附近出現(xiàn)最大值點(diǎn)^［8-11］，但在KH渦向下游發(fā)展的過程中沿程流動(dòng)特性差異尚不明確。除植被頂部附近強(qiáng)剪切作用形成的KH渦外，淹沒植被水流中還存在著紊流猝發(fā)形成的馬蹄渦、繞流尾渦等不同尺度的渦結(jié)構(gòu)^［12］。這些紊流渦結(jié)構(gòu)的形成、發(fā)展與消亡過程是造成流速和紊動(dòng)特性垂向不均勻和沿程差異化的重要原因。針對(duì)不均勻的垂線流速分布，學(xué)者們提出了不同的流動(dòng)分區(qū)模型^［13］。針對(duì)不同渦結(jié)構(gòu)的垂向作用范圍，Nezu等^［14］將垂向空間分為類非淹沒區(qū)、混合層區(qū)以及對(duì)數(shù)層區(qū)3個(gè)大區(qū)，各區(qū)域紊流主要運(yùn)動(dòng)形式有所差異。

混合層厚度取決于KH渦的垂向尺度，兩者范圍相近，KH渦的垂向發(fā)展會(huì)受自由水面限制^［15］。因此，混合層的空間發(fā)展不僅與沿程KH渦的形成、發(fā)展與消亡密切相關(guān)，而且與淹沒度（植被段平均水深與植被高度比值，S_ub）有關(guān)。一般認(rèn)為KH渦形成的臨界淹沒度為1.5～2.0^{［14，16-17］}。閆靜等^［18］通過水槽試驗(yàn)研究了淹沒剛性植被充分發(fā)展紊流區(qū)KH渦的邊界問題。此外，植被密度（單位床面面積上的植物迎流面積）在一定的閾值范圍內(nèi)才能滿足KH渦的形成條件^［18-19］，閆靜等^［20］也系統(tǒng)地總結(jié)了植被密度變化下紊流結(jié)構(gòu)的變化過程。但由于水流條件、植物特性和測(cè)量?jī)x器處理方法上的差異，各學(xué)者對(duì)KH渦形成條件的研究并未得到統(tǒng)一結(jié)論。綜上所述，已有研究多是圍繞沿流充分發(fā)展植被段的流動(dòng)特性開展的，而對(duì)受限于空間和水流條件、沿流未充分發(fā)展植被段的流動(dòng)特性關(guān)注較少。

本文擬通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，定量分析不同淹沒度條件下植被明渠紊流沿流不同區(qū)域流動(dòng)特性差異，旨在探究KH渦發(fā)展對(duì)沿程流動(dòng)特性的影響。

1 試驗(yàn)建立

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在黃河水利科學(xué)研究院“模型黃河”試驗(yàn)基地進(jìn)行，變坡水槽長60 m、寬0.6 m、高1.0 m。水槽側(cè)壁和底板為有機(jī)玻璃材質(zhì)，底部鋪有長12 m、高3 cm的PVC板，上、下游以1∶4的斜坡與水槽底部連接。中間8 m作為植被段，距離進(jìn)水口12 m，上、下游各預(yù)留2 m作為過渡段。采用乳膠管包裹的金屬棒模擬剛性植被，單株直徑d=0.92 cm，高度h_v=8.0 cm，按S_x×S_y=10 cm×10 cm梅花型交錯(cuò)排列，其中S_x和S_y分別為植株沿流向和橫向的間距，植被密度λ_f=dh_v/（S_xS_y）=0.074，滿足了KH渦形成的密度條件和測(cè)量設(shè)備與植株間的安全距離。

水槽配有清水自循環(huán)控制系統(tǒng)，前端設(shè)有穩(wěn)流格柵，用以穩(wěn)定水流。試驗(yàn)在近似均勻流條件下進(jìn)行，利用變頻水泵和電磁流量計(jì)（精度為±0.001 L/s）進(jìn)行流量的控制與觀測(cè)，通過控制尾門開度和變坡自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（水槽變坡范圍為0%～3%）調(diào)節(jié)水深，使流速和水深滿足試驗(yàn)工況要求。水槽兩側(cè)導(dǎo)軌上的自動(dòng)化測(cè)控車搭載聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（ADV），實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位和三維脈動(dòng)流速測(cè)量。沿程水深采用激光水位計(jì)測(cè)量（測(cè)量誤差為±1 mm）。

1.2 ADV試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為ADV試驗(yàn)系統(tǒng)，采用Nortek公司的垂向探頭ADV得到測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)流速的時(shí)間序列。沿程布設(shè)V1—V7共計(jì)7個(gè)流速斷面，為降低邊壁效應(yīng)對(duì)植被水流流態(tài)的影響，將流速測(cè)量垂線布設(shè)在測(cè)量斷面中心線上，植被段測(cè)點(diǎn)介于兩排植被中間。以植被段起點(diǎn)為原點(diǎn)O，定義水槽縱向、橫向、垂向分別為x、y、z方向，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流速分別為u、v、w，時(shí)均流速分別為u、v、w，脈動(dòng)流速分別為u′、v′和w′。其中，V2斷面（x=-1 m）位于上游過渡段，V3、V4、V5（分別對(duì)應(yīng)x=2 m、x=4 m和x=6 m）位于植被段內(nèi)，V6（x=9 m）位于下游過渡段，V1和V7（分別對(duì)應(yīng)x=-6 m和x=30 m）用于監(jiān)測(cè)進(jìn)、出口水流狀態(tài)。各斷面流速測(cè)點(diǎn)位于探頭下方5 cm處，相鄰測(cè)點(diǎn)間隔為1～2 cm，首個(gè)測(cè)點(diǎn)距離底部1 cm，最后1個(gè)測(cè)點(diǎn)位于水面下方約5 cm處。水槽沿程布設(shè)G1—G12共計(jì)12個(gè)水位觀測(cè)點(diǎn)，用以觀測(cè)沿程水位變化。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在淹沒度（S_ub）分別為3.0、4.0、5.0條件下，進(jìn)行三維瞬時(shí)流速的測(cè)量與分析，滿足了KH渦形成的水深條件。采樣頻率為50 Hz，采樣時(shí)長為60 s，試驗(yàn)組次列于表1，其中，Q為流量;H₀為進(jìn)口水深;H為植被段平均水深;S_ub=H/h_v;J為水面坡降;R為水力半徑;U₀=Q/（H₀B）為進(jìn)口過水?dāng)嗝嫫骄魉?，其中B=0.6 m為水槽寬度;Re=U₀R/v為雷諾數(shù);Fr=U₀/√^??gH₀為來流弗勞德數(shù)。后期處理數(shù)據(jù)時(shí)，首先剔除毛刺數(shù)據(jù)，然后篩選出相關(guān)度大于80%和信噪比大于20%的數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沿程縱向時(shí)均流速垂線分布差異

水流運(yùn)動(dòng)以縱向?yàn)橹?，因此選取不同S_ub下各斷面縱向時(shí)均流速進(jìn)行垂線分布特征分析，如圖2所示，縱、橫坐標(biāo)分別以H和U₀進(jìn)行量綱一化。圖中沿程u/U₀的垂線分布特征為：上游過渡段V2斷面呈“J”型分布;植被段內(nèi)V3—V5斷面呈反“S”型分布;下游過渡段V6斷面呈反“S”向“J”型的過渡分布。呈現(xiàn)上述變化的原因是：上游過渡段受植被影響較小，但在底部紊流邊界層影響下，流速滿足經(jīng)典的對(duì)數(shù)分布規(guī)律;當(dāng)水流經(jīng)過植被段時(shí)，在床面切應(yīng)力和植被后方尾流渦結(jié)構(gòu)的共同作用下，水槽近底區(qū)域流速分布較為均勻，而冠層頂部交界面處，強(qiáng)剪切作用導(dǎo)致流速梯度在此處附近達(dá)到最大，流速分布出現(xiàn)拐點(diǎn)（曲線凹凸性發(fā)生轉(zhuǎn)變的點(diǎn)），流動(dòng)失穩(wěn)形成KH渦;遠(yuǎn)離植被，流速分布與明渠水流相似，流速梯度逐漸減小至近水面。此外，S_ub越小，植被層內(nèi)各斷面速度差異越顯著;S_ub越大，自由流動(dòng)層內(nèi)各斷面速度差異越顯著。

圖3展示了不同S_ub下，h_v以下和以上垂向空間沿程u/U₀變化。從圖3中可以看出，h_v以下，沿程u/U₀先減后增，而h_v以上則相反。這是因?yàn)樗鬟M(jìn)入和流出植被段2個(gè)過程時(shí)，過流邊界突縮和突擴(kuò)，導(dǎo)致流動(dòng)分離，部分水體在上游形成了上升流，而在下游形成了下潛流，并分別進(jìn)行著勢(shì)能與動(dòng)能轉(zhuǎn)換，而另一部分進(jìn)入植被層的水體受植被阻滯，流速驟減，而流出植被層的水體所受繞流阻力減弱直至消失，流速快速恢復(fù)，最終導(dǎo)致沿程流速交錯(cuò)升降，如圖3中箭頭所示。而植被段內(nèi)，在繞流阻力、床面和冠層剪切作用共同作用下，水流流動(dòng)過程中不同程度地伴隨著紊流渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，導(dǎo)致紊動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)了水體動(dòng)量沿縱向和垂向的交換，因此，相鄰斷面同一高度處的時(shí)均流速差異不顯著，上述過流特征與具有阻水功效的透水構(gòu)筑物相似。

圖4為不同S_ub下各斷面與V2斷面速度差值（Δu/U₀）隨z/h_v的分布?？梢钥闯觯脖欢桅/U₀分布呈“S”型：自下而上特征點(diǎn)依次為極小值點(diǎn)（z/h_v）_min、由凹轉(zhuǎn)凸的拐點(diǎn)（z/h_v）_I、零值點(diǎn)（z/h_v）₀和梯度由增向穩(wěn)態(tài)突變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（z/h_v）_T，對(duì)應(yīng)的特征值依次為極小值（Δu/U₀）_min、拐點(diǎn)值（Δu/U₀）_I、零值（Δu/U₀）₀和轉(zhuǎn)折點(diǎn)值（Δu/U₀）_T，其中下角標(biāo)I、T分別表示拐點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

對(duì)于不同的S_ub，當(dāng)z/h_v≤0.5時(shí)，Δu/U₀隨z/h_v單調(diào)遞減，在（z/h_v）_min=0.5附近取得極小值（Δu/U₀）_min<0;當(dāng)0.5v≤S_ub時(shí)，Δu/U₀隨z/h_v逐漸增加并最終趨于穩(wěn)態(tài)，其中（z/h_v）_I≈1.0，（z/h_v）₀∈（1.0，2.0），（z/h_v）_T∈（（z/h_v）₀，S_ub）。此外，植被段內(nèi)（Δu/U₀）_min差異與S_ub負(fù)相關(guān)。從能量守恒和水流結(jié)構(gòu)變化角度分析可知，在z/h_v≤0.5范圍內(nèi)，植被段內(nèi)近底層紊流猝發(fā)形成的馬蹄渦運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)了水流的紊動(dòng)耗散，且隨z/h_v增加，桿莖后方的尾流渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)了紊動(dòng)耗散作用，2種小尺度渦結(jié)構(gòu)耗散的紊動(dòng)能由時(shí)均動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來，當(dāng)耗散作用達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，出現(xiàn)（Δu/U₀）_min;當(dāng)0.5≤z/h_v<1.0時(shí)，超出馬蹄渦影響范圍，紊動(dòng)耗散減弱;當(dāng)1.0≤z/h_v≤（z/h_v）₀時(shí)，冠層頂部附近尾流渦運(yùn)動(dòng)逐漸減弱，但大尺度KH渦結(jié)形成，并從時(shí)均動(dòng)能中獲得紊動(dòng)能;隨z/h_v進(jìn)一步增加，2種渦運(yùn)動(dòng)減弱直至消失，因此消耗的時(shí)均動(dòng)能減少，Δu/U₀增大;當(dāng)（z/h_v）₀≤z/h_v≤S_ub時(shí)，水流處于自由流動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合連續(xù)性方程，此范圍內(nèi)植被段流量大于V2斷面，同時(shí)水流僅受的剪切作用顯著減弱，導(dǎo)致Δu/U₀隨z/h_v增加并最終趨穩(wěn)。V6斷面變化與植被段相似，但整體呈平緩的“S”型，同一高度處|Δu/U₀|最小且未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明下游過渡段紊動(dòng)耗散整體減弱，但由于部分水流下潛，導(dǎo)致該斷面垂向未形成穩(wěn)定的速度差。

2.2 沿程紊動(dòng)強(qiáng)度垂線分布差異

各測(cè)點(diǎn)沿縱向的紊動(dòng)強(qiáng)度采用脈動(dòng)流速均方根值（σ_u）表示。以σ_u為例，圖5展示了不同S_ub下各斷面σ_u垂線分布，其中縱、橫坐標(biāo)分別采用H和摩阻流速（u_*）進(jìn)行量綱一化。可以看出，σ_u/u_*隨S_ub增大而增強(qiáng)，沿程垂線分布特征為：上游過渡段符合對(duì)數(shù)分布律，σ_u/u_*隨z/H單調(diào)遞減，并最終趨于常數(shù);植被段內(nèi)，沿垂向，σ_u/u_*在冠層頂部附近顯著大于上游過渡段，但越靠近自由水面差異越小，沿縱向斷面越靠近下游σ_u/u_*值越大，對(duì)于確定斷面，σ_u/u_*自下而上均呈先增后減的變化趨勢(shì)，并在冠層頂部附近達(dá)到最大值，在近水面處逐漸趨于常數(shù)，且S_ub越小，各斷面σ_u/u_*在植被層內(nèi)差異越小，而在自由流動(dòng)層內(nèi)差異越顯著;下游過渡段σ_u/u_*垂線分布與植被段相似，但S_ub越大，兩區(qū)段在冠層頂部以上的σ_u/u_*差異越大。

產(chǎn)生上述變化的原因在于V2斷面受植被擾流的影響較小，紊動(dòng)強(qiáng)度整體較弱，垂線分布與明渠均勻流相似：近底水流受河床剪切作用影響，容易發(fā)生紊流猝發(fā)現(xiàn)象，紊動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較大，但隨水深增加，剪切作用減弱，最終紊動(dòng)強(qiáng)度趨于定值;植被段內(nèi)，水流受到多重促紊因素影響，紊動(dòng)顯著增強(qiáng)，例如近底馬蹄渦結(jié)構(gòu)、繞流尾渦以及冠層頂部的KH渦結(jié)構(gòu)，分別作用于近床面、植被層內(nèi)以及植被冠層頂部一定垂向范圍內(nèi)，導(dǎo)致垂向不同區(qū)域紊動(dòng)強(qiáng)度差異顯著，而植被段內(nèi)沿程各斷面的紊動(dòng)增強(qiáng)特性主要是由植被群尾流疊加和KH渦不斷向下游發(fā)展造成。下文將結(jié)合雷諾應(yīng)力和紊動(dòng)能垂線分布，分析V6斷面與其上游斷面紊動(dòng)特性垂線分布差異。

2.3 沿程雷諾應(yīng)力垂線分布差異

在明渠二維流動(dòng)中，雷諾應(yīng)力（-ρu′w′）分布反映水流脈動(dòng)造成垂向和縱向動(dòng)量交換的劇烈程度。當(dāng)流體密度（ρ）為定值時(shí)，通常采用-u′w′表征雷諾應(yīng)力，表達(dá)式如下：

式中：N表示單次采集有效數(shù)據(jù)總量。圖6展示了不同S_ub下沿程各斷面-u′w′的垂線分布?？v、橫坐標(biāo)分別采用H和u²_*進(jìn)行量綱一化?？梢钥闯?，-u′w′/u²_*垂線分布與σ_u/u_*相似。不同的是，植被段內(nèi)-u′w′/u²_*沿程增大，且均在冠層頂部附近取得最大值，間接反映了KH渦運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致水體縱向和垂向動(dòng)量交換在此處最為劇烈，且動(dòng)量交換過程隨KH渦向下游發(fā)展而不斷加劇。植被段內(nèi)接近水面時(shí)-u′w′/u²_*值逐漸趨于0的斷面數(shù)量隨S_ub增大而增加，說明越靠近水面，水體縱向和垂向動(dòng)量交換越弱，在一定程度上S_ub限制了KH渦的空間發(fā)展。與植被段相比，隨S_ub增大，V6斷面上-u′w′/u²_*在h_v以下衰減不明顯，在h_v以上增加顯著。

2.4 沿程紊動(dòng)能垂線分布差異

紊動(dòng)能（T_KE）表示紊流中與渦流有關(guān)的單位質(zhì)量平均動(dòng)能，表達(dá)式為

淹沒植被的存在導(dǎo)致水流整體紊動(dòng)增強(qiáng)，圖7展示了不同S_ub下沿程各斷面T_KE的垂線分布，其中縱、橫坐標(biāo)分別采用H和V1斷面0.5H處的紊動(dòng)能（T_KE0）進(jìn)行量綱一化。可以看出，T_KE/T_KE0與-u′w′/u²_*垂線分布相似。值得注意的是，與植被段相比，隨S_ub增大，V6斷面上測(cè)點(diǎn)的3種紊動(dòng)特性參數(shù)均在h_v以下衰減不明顯，在h_v以上增加顯著，這是因?yàn)榱鲃?dòng)分離形成的二次流使整個(gè)斷面水流得到了紊動(dòng)補(bǔ)給，但S_ub越大，流動(dòng)分離形成的混合層內(nèi)紊流渦結(jié)構(gòu)向下游發(fā)展越充分，導(dǎo)致縱向和垂向動(dòng)量交換更強(qiáng)烈，紊動(dòng)特性參數(shù)值增加越顯著。

2.5 KH渦上邊界探究

KH渦作為大尺度紊流渦結(jié)構(gòu)，證明其存在的方式主要包括以下幾種：① 采用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）流動(dòng)顯示技術(shù)繪制速度矢量圖，得到明顯的渦結(jié)構(gòu)。② 采用ADV或激光多普勒測(cè)速儀（LDV）進(jìn)行流速測(cè)量，首先流速垂線分布存在拐點(diǎn)（這是發(fā)生KH渦不穩(wěn)定現(xiàn)象的必要條件），且具有典型的垂向分層特征;其次，植被冠層附近流速測(cè)點(diǎn)的頻譜曲線與近床面和近水面區(qū)域明顯不同，主頻分布范圍為0.01～0.11 Hz，則可認(rèn)為該特殊區(qū)域存在KH渦。以S_ub=5.0為例，對(duì)比分析V3斷面z=1 cm、z=7 cm、z=34 cm處（分別對(duì)應(yīng)底層、植被冠層附近、近水面）3個(gè)流速測(cè)點(diǎn)頻譜曲線差異，如圖8所示，3個(gè)頻譜曲線主頻依次集中在0.64、0.07、0.25 Hz附近且差異顯著，僅冠層附近測(cè)點(diǎn)主頻分布范圍為0.01～0.11 Hz，間接證明本試驗(yàn)大尺度低頻KH渦的存在。

綜合分析不同S_ub下植被水流紊動(dòng)特性垂線分布特征發(fā)現(xiàn)，上述3種量綱一紊動(dòng)特性（）垂線分布形態(tài)上相似，但值隨S_ub增大而增加。V2斷面時(shí)均流速和紊動(dòng)特性沿水深呈單調(diào)性相反的對(duì)數(shù)分布形式，說明隨測(cè)點(diǎn)位置上升，時(shí)均動(dòng)能向紊動(dòng)能的轉(zhuǎn)化減弱。值得注意的是，隨著S_ub增加，沿程值垂線分布出現(xiàn)量綱一轉(zhuǎn)折點(diǎn)（z/H）_T的數(shù)量不斷增加，對(duì)應(yīng)的紊動(dòng)特性取值記作_T。此處識(shí)別轉(zhuǎn)折點(diǎn)的依據(jù)是：當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置高于（z/H）_T時(shí)，值梯度突然變小并趨于0。

各斷面的轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置及取值列于表2?？梢钥闯?，對(duì)于確定的S_ub，（z/H）_T沿程漸升，但對(duì)于不同的S_ub，同一斷面處的紊動(dòng)強(qiáng)度和紊動(dòng)能隨S_ub的增加而增強(qiáng)，z_T值也越高。V2斷面轉(zhuǎn)折點(diǎn)均接近2.0h_v處，與H無關(guān)。各斷面處（-u′w′/u²_*）_T值與最大值相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，此時(shí)z_T以上的自由流動(dòng)層已超出KH渦影響范圍，水平和垂向動(dòng)量交換顯著減弱。在淹沒植被明渠相對(duì)充分發(fā)展的紊流區(qū)域內(nèi)，以S_ub=5.0時(shí)的V5斷面為例，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于0.78H處，與前人關(guān)于KH渦上邊界點(diǎn)介于0.7～0.8H之間的研究結(jié)論一致^［18］。而對(duì)于非充分發(fā)展的紊流區(qū)域，將轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為KH渦上邊界點(diǎn)的判定方法有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié)論

本文對(duì)3種淹沒度下的剛性植被明渠紊流開展室內(nèi)水槽試驗(yàn)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析時(shí)均流速、紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力和紊動(dòng)能等流動(dòng)特性的沿程差異，不僅闡釋了差異產(chǎn)生的原因，同時(shí)提出了一種利用單點(diǎn)流速數(shù)據(jù)判別KH渦上邊界的方法。主要結(jié)論如下：

（1） 淹沒剛性植被明渠紊流在植被阻滯作用、植被引發(fā)的紊流渦結(jié)構(gòu)能量傳遞和耗散以及過流邊界突變引起的流動(dòng)分離等多種復(fù)雜流動(dòng)過程的共同影響下，形成了上游過渡段、植被段及下游過渡段差異化的縱向流速剖面，而植被段內(nèi)各斷面速度剖面雖形態(tài)相似，但植被層內(nèi)、外因沿程紊流結(jié)構(gòu)差異而取值不同。

（2） 淹沒剛性植被明渠紊流的紊動(dòng)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力、紊動(dòng)能等紊動(dòng)特性隨淹沒度的增加而增大，與上游過渡段相比，植被段及下游過渡段水流的紊動(dòng)特性顯著增強(qiáng)，冠層頂部附近均存在最大值，而植被段內(nèi)各斷面紊動(dòng)特性因大尺度KH渦結(jié)構(gòu)的能量傳遞作用而沿程增強(qiáng)。

（3） 當(dāng)水流條件（包括雷諾數(shù)、淹沒度）和植被密度滿足KH渦的形成和發(fā)展條件時(shí)，植被段內(nèi)各斷面紊動(dòng)特性垂線分布陸續(xù)會(huì)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以該點(diǎn)作為KH渦上邊界的判定方法在相對(duì)充分發(fā)展的紊流區(qū)域驗(yàn)證了其合理性，而在非充分發(fā)展的紊流區(qū)域有待進(jìn)一步驗(yàn)證。該方法為利用單點(diǎn)流速數(shù)據(jù)研究大尺度紊流渦結(jié)構(gòu)提供了一種思路。

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A study on the differences of turbulent flow properties along the open channel

with submerged rigid vegetation

The study is financially supported by the National Key R&D Program of China （No.2023YFC3206201） and the National Natural Science Foundation of China （No.U2243219）.

CHEN Yuejun^1，2，ZHAO Lianjun¹，WANG Yao³，ZHU Zichun^1，4，TAN Guangming²，WANG Mingyang⁵

（1. Key Laboratory of Lower Yellow River Channel and Estuary Regulation，Ministry of Water Resources，Yellow River Institute of

Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;

2. State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，

Wuhan University，Wuhan 430072，China;

3. Quality and Safety Inspection Service Center for Construction Project of

Xiong′an New Area，Baoding 071700，China;

4. School of Water Conservancy and Transportation，Zhengzhou University，

Zhengzhou 450001，China;

5. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100044，China）

Abstract：Submerged rigid vegetation causes uneven vertical distribution and streamwise differences of hydraulic parameters such as time-averaged flow velocity，turbulence intensity，and Reynolds stress by altering the flow structure.ADV is adopted to measure the flow velocity under three submergence ratios of 3.0，4.0，and 5.0，combined with statistical methods，the differences in velocity and turbulence characteristics within the vegetation section and its upstream and downstream transition sections are systematically analyzed.The results show that vegetation significantly enhances water flow turbulence，and the values of turbulence characteristics are positively correlated with submergence ratios.Within the vegetation segment，the differences in velocity are more significant in the two vertical zones：one is the vegetation layer under low submergence and the other is the free flow layer under high submergence.Furthermore，the values of turbulence characteristics are enhanced along the path，and the vertical distribution has similarity，with the location of maximum point is near the top of the canopy.When the submergence ratio meets the formation and development conditions of KH vortices，the turning point appears gradually in the vertical distribution curves of turbulent characteristics within the vegetation segment，near which the gradient value sharply decreases and approaches 0.In addition，the number of cross sections with turning points increases with submergence ratios increasing.It is verified that this point can serve as the upper boundary point of KH vortices in the fully developed turbulent flow region.

Key words：rigid vegetation;submergence ratio;time-averaged velocity;turbulence characteristics;ADV