闫 静,王晓丽,2,陈 红,余 洋,林青炜

(1.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098；2.山东省水利勘测设计院,山东 济南 250014)

在有植物的河流中,植物层和非植物层的交界区存在剧烈的紊流剪切[1],使得平均流速、水流阻力[2-6]、紊动强度、雷诺应力及紊动能等水力参数的分布发生了明显的变化[7-12],紊流拟序结构运动变得更为复杂[13]。Raupach等[14]根据流速分布存在拐点,提出流经陆生植物的空气流动在冠层附近产生了Kelvin-Helmholtz(KH)涡。后来相继有学者研究明渠中水生植物附近产生的相干结构。Ghisalberti和Nepf[15-16]发现在淹没植物条件下的明渠水流中,由于垂向阻力不连续,时均流速分布也存在一个拐点,使得水流出现KH不稳定性,导致植物顶部附近出现了大尺度的KH涡。KH涡控制着河流中较大范围内的垂向能量交换和物质输移,国内外学者对这种直接影响水流结构、泥沙和污染物输移的涡结构进行了一定的研究[17]。

在KH涡的几何尺度方面,有学者发现,KH涡的尺度与植物高度大致为一个数量级[18-19],但对于KH涡具体的上、下边界鲜有直接的研究。Nepf和Vivoni[20]根据紊流能量平衡提出渗透高度(hp)的概念,定义hp为KH涡向下进入植物层作用的高度,即KH涡的下边界。对于渗透高度的确定,Nepf等[18]、闫静等[21]和Nikora等[22]提出了不同的方法。Poggi等[23]指出植物顶部附近的混合层由KH涡控制,KH涡范围与混合层区的范围相近；Nezu和Sanjou[24]提出自水面以下流速分布偏离对数律的临界位置(hl)为混合层区上边界,渗透高度为混合层区下边界；赵汗青[25]从能量出发,对比了紊动能生成率和耗散率的大小关系,计算了混合层的上、下边界。……