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刚-柔、柔-刚性两种格局下植被水流特性试验研究

2022-10-27李露石喜李江涛

中国农村水利水电 2022年10期
关键词:刚性流速水流

李露,石喜,李江涛

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070)

0 引言

近年来,随着生态文明理念的不断深入,水环境和水生态问题引起了广泛的关注。生长在天然江河湖泊中的水生植物,能为生物提供食物和栖息地,可以抑制泥沙再悬浮并有效改善水质;而植物根系可固结土壤,防止河床被过度冲刷,从而减少水土流失。但水生植物的存在改变了水流流动结构,导致流速减小、水位抬高,从而引发泥沙淤积,严重时可影响行洪安全。因此研究植被水流的水动力特性具有重要的现实意义[1]。

基于此,国内外学者针对水生植被和水流的相互作用机理开展了深入研究[2]。Ricardo 等[3]研究了含植物明渠水流特征变量。Thokchom 等[4]通过水槽试验利用声学多普勒流速仪ADV 研究了半覆盖植被的明渠水流特性。槐文信等[5]采用羽毛模拟柔性植被,研究了植被密度、淹没度及流量对明渠水流流速场的影响。吴福生和姜树海[6]针对柔性和刚性植被,采用ADV 对淹没植被的紊流特性进行了研究。张英豪和赖锡军[7]以苦草为对象,研究了植被水流雷诺应力、紊动能和时均流速的垂向分布特征。张凯[8]利用水槽试验研究了刚、柔性模拟植被与河道水流特性的关系。景何仿等[9]利用玻璃棒代替挺水植物,研究了不同工况下含水生植物的水位变化和流速分布。樊新建等[10]采用塑料草模拟柔性淹没植被,利用ADV对不同排列方式、不同淹没度下植被的水流特性进行了试验。Okamoto 和Nezu[11]使用PIV 技术对淹没植被斑块的紊流特性进行了测量。吴国英等[12]研究了柔性和刚性植被类型和淹没度对流速垂线分布的影响。Shin 等[13]采用ADV 研究了淹没度和植被密度对纵向流速和湍流剪切应力的影响。

可以看出,大多研究以单独的刚性或柔性的植被研究为主,而天然河道植物种类多样,形状和组成格局复杂,含植物水流特性各有不同。为此,本文以木棒和塑料模型草分别模拟刚性和柔性植被,在多功能明渠变坡水槽中,开展刚-柔、柔-刚两种植被格局下的水流特性试验,探讨流速分布、沿程水面变化及紊流强度,为植被水流的理论和河流生态修复提供参考。

1 试验装置与方法

试验在兰州交通大学多功能明渠变坡水槽中完成,水槽总长6、宽0.4、高0.3 m,底坡为0.3%。如图1 所示,试验系统由水泵、进水池、槽身段及回水水槽组成,水槽进水口安装消能管群(直径相同的PVC 硬细空心管构成)使来流平稳均匀,槽尾设有调节闸门,通过调节闸门开度可控制水位和流速。植被区距离水槽首端和尾端均为225 cm,为1.5(长)×0.4(宽)×0.1 m(高)的凹槽。试验时,通过电磁流量计测量水流流量,水深采用精度为0.1 mm 的测针测量,采用微型多普勒流速仪测量定点的时均流速,测流准确度为0.01 cm/s,分辨率为0.001 m/s,采样频率为25 Hz,时间60 s,详细情况可见相关文献[14]。待水流稳定后,每个测点测量3次,用统计平均值法计算时均流速。

图1 实验系统布置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system layout

选用刚性和柔性两种不同的水生植被进行试验,其中刚性植被采用直径为6 mm 的圆木棒模拟,淹没工况下植被高度13.8 cm;天然柔性植被选用塑料仿真草模拟,淹没状态下的平均高度为13.5 cm,外直径约为5 mm,具有一定的柔性,图2为模型植被。

图2 柔性-刚性植被Fig.2 Flexible-rigid vegetation

水生植物采用刚-柔布置和柔-刚布置两种格局,排列方式为梅花交错形式。两种格局下设置稠密和稀疏两种种植密度,第一排植被均距离植被区入口62.5 mm 的位置。稠密排列时,采用单排5 株、双排4 株的交错布置,纵向和横向株距分别为6.25、7.5 cm,共布置23排,植物密度为173 株/m2,如图3(a)和(b)所示;稀疏排列时,采用单排4 株、双排3 株的交错布置,共布置15排,纵向和横向株距均为10 cm,植物密度为88 株/m2,如图3(c)和(d)所示。

假定沿水流方向(纵向)为x方向,与壁面垂直方向(横向)为y方向,与槽底垂直的方向(垂向)为z方向。沿纵向x方向布设7 个观测断面(纵断面),沿程距离的起始坐标定于距离水槽最前端175 cm处,终于425 cm,其中,断面1 位于植被区入口上游25 cm处;植被区设5个测量断面,即断面2~6,断面2距离植被区入口2.5 cm,断面3、5 穿过植被空隙;植被布置沿断面4 对称,即断面4 左边为一种植被,右边为另一种植被,因此断面4也是体现植被格局的位置;断面6位于植被区出口边缘线上;断面7 位于距植被区下游30 cm 处。由于植被沿水槽宽度对称布置,沿横向y方向布设3 个测点,3 个测点各距离右边壁侧2.5、12.5、20 cm 的位置(分别用y1、y2 和y3 表示),分别代表植被河道边壁、边壁与中心线之间,植被河道中心线。沿垂向z方向从水槽底部3 cm 为起点,每隔2.5 cm 为增量设置一个测点,总共有6个测点。测点的具体布置如图3所示。

图3 两种格局下植被排列方式及测点示意图(单位:mm)Fig.3 Schematic diagram of vegetation arrangement and measurement points in the two patterns

试验采用4 种工况,如表1 所示,整个试验的水温为25 ℃,水流运动黏性系数为0.897×10-6m2/s,试验中雷诺数Re的变化范围均在6 880~21 118 之间,大于明渠临界雷诺数500,故水流为紊流,弗劳德数Fr在0.1~0.47 之间变化,均小于1,故水流为缓流。

表1 试验工况及水力参数Tab.1 Test conditions and hydraulic parameters

2 结果及分析

2.1 实测流速分析

2.1.1 纵向流速沿程分布

图4 为刚-柔布置格局下不同测量断面横向测点y1、y2 和y3的时均流速沿纵向变化,选取每个测点垂向第6个点(位于植物顶端以上靠近自由水面区,距离渠底15.5 cm)进行分析。可以看出,两种密度下纵向流速变化趋势基本相似,在刚性植被区域,流速波动较为平缓,原因可能是处于淹没状态下的刚性植被,水流经过时每个植被处的扰流作用相当,植被上层水流的流速变化相似,因而流速波动平缓;在柔性植被区域,植被在水流作用下产生横向和纵向的弯曲和摆动,影响植被上层区域使流速梯度增大,流速最大值基本出现在柔性区域末端。流出植被区域后,摆脱了植被的影响,流速有所减小。

图4 刚-柔布置格局下不同断面沿程流速分布图Fig.4 Distribution of velocity along different sections under rigid-flexible layout

比较不同横向测点的流速大小可以看出,在刚性区域,y2和y3 测点处的流速比y1 处的要大,这是由于靠近壁面,影响流速变化的因素除了植被外,还有壁面对水流的剪切作用,使流速减小;而在y2 和y3处,影响流速的主要因素为植被,测点基本靠近水面,刚性植被茎秆大小一样,对植被顶端水流的扰动在不同位置处基本相当,因而y2 和y3 处的流速变化无明显规律。在柔性植被区域,两种密度下y3 处的流速基本处于最大,而y1 和y2 处的流速变化不明显,这可能是由于柔性植被的来回摆动,从而影响到不同测点处流速梯度的变化。

图5所示为柔-刚布置格局下不同测量断面横向测点y1、y2和y3时均流速的纵向变化,测点仍然为植物顶端以上靠近水面的垂向第6测点。可以看出,两种密度下的纵向流速变化相似,在柔性区域,流速基本呈增大的趋势,这是由于受柔性植被摆动的影响,流速最大值仍然出现在柔性区域的末端(断面4)。之后,在刚性区域,流速有所下降,波动有所平缓。

图5 柔-刚布置格局下不同断面沿程流速分布图Fig.5 Distribution of velocity along different sections under flexible-rigid layout

2.1.2 纵向流速的垂线分布特征

图6 给出了刚-柔布置下测量断面1、3、4、7 的纵向流速沿垂线分布,每个断面上均取中心线y3 测点沿垂向结果,测点距离渠底分别为3、5.5、8、10.5、13 和15.5 cm。可以看出,不同断面的垂线流速分布变化各不相同。断面1 位于植被区外,基本呈“J”型分布,与无植被水流的分布一致,说明植物对水流的影响尚未波及到。断面3 位于刚性植被区,在植被的影响下使流速分布与无植被时的不同,在植物带以内受植物的阻挡,水流沿植被发生扰流,水流的受力状态复杂,流速波动较小;而在植物带顶端接近水面处的流速最大,比无植被影响时的还大,原因可能是,在植被的影响下,植物带顶端水流的速度梯度较大,使流速保持较大值,比较两种密度的流速分布发现,稠密布置下的流速波动比稀疏布置的波动要大,说明植被的影响作用明显。断面4 位于刚性与柔性植被的交界处,可见,断面4 的流速分布受两种植被的影响,基本呈“S”型,此时流速分布既受刚性植被的阻挡影响,又受柔性植被弯曲与摆动的影响,使流速变化较为复杂,在植物带顶端处的流速仍然最大。断面7 位于植物区下游30 cm处,流速分布基本呈“C”型,与无植被时的不同,说明断面7 处的水流仍受植被的影响,表明植被水流对下游的影响范围大于对上游的影响。

图6 刚-柔布置格局下不同断面的垂线流速分布Fig.6 Vertical velocity distribution of different sections under rigid-flexible layout

图7 给出了柔-刚布置格局下测量断面1、3、4、7 的纵向流速沿垂线分布,每个断面上仍取中心线y3 测点沿垂向的结果。可以看出,断面1 的流速分布仍然不受植被区的影响,呈“J”型分布;断面3 位于柔性区域,与图6(b)中相同断面的刚性植被相比,柔性区域的流速波动较大,原因可能是,淹没柔性植被在水流作用下容易发生弯曲、摆动,使植被水流扰动较大;而刚性植被在水流中基本固定不动,植被水流发生扰流时对水流的扰动较小。比较图6(b)还可以发现,柔性植被的顶端流速也大于刚性植被的,这是由于同一处在淹没下的两种植被,柔性植被的弯曲、摆动使植物带上层水流的流速梯度增大。断面4 位于柔性植被和刚性植被交界处,受两种植被的相互影响,流速分布基本呈“C”型,在植物带顶端仍保持较大的流速。从断面7的变化来看,流速分布仍然未摆脱植物区的影响。

图7 柔-刚布置格局下不同断面的垂线流速分布Fig.7 Vertical velocity distribution of different sections under flexible-rigid layout

2.2 沿程水位变化特征

图8 所示为刚-柔和柔-刚两种格局下的沿程水位变化,选取7个相同的测量断面,其中断面1、2、3、6和7与流速测量断面相同,而断面4 和断面5 的坐标在两种格局下均取300 cm 和337.5 cm 位置处。由图可以看出,两种格局下沿程水位的变化趋势一致,而稠密布置时的沿程水位高于稀疏布置的,说明稠密布置时阻水较大,水位壅高。断面1位于植被上游,受植被的影响较小,水位较低;断面2 刚进入植被区,由于处在第一排植被的前端,水位受后面植被的影响有所增加,但增加幅度不大;断面3位于植被内部,在植被的阻水影响下水位达到最大值,说明此处阻水最为严重;之后由于植被布置和排列方式不变,在每个位置处植被阻水的状况相似,而在坡降的影响下水位逐渐下降;断面7 位于植被区外,水位受植被的影响减小,基本恢复至无植被时的水位。

图8 刚-柔、柔-刚性两种格局沿程水位线Fig.8 Rigid-flexible and flexible-Rigid patterns along the water level

2.3 相对紊动强度的垂向分布

紊流紊动的强弱程度可采用相对紊动强度来表述,以脉动流速的均方根与相应时均流速的比值来反映,计算式为:

式中:I为相对紊动强度;u'为脉动流速;uˉ为断面平均流速。

图9给出了刚-柔和柔-刚两种格局下相对紊流强度的垂线分布,选取断面3 中心线位置的y3 测点进行分析,即刚-柔布置时测点为刚性植被,柔-刚布置时测点为柔性植被。可以看出,两种格局下相对紊动强度的变化趋势相似,在底部保持较低的紊动强度,说明底部位置对水流的扰动较小。从底部至水面相对紊动强度呈先增大后减小再增大的趋势,在水面位置处最大。这是由于淹没植被的高度离水面较近,在植被区,由于阻水影响对水流的扰动强烈,因此相对紊动强度变化幅度较大;而水面位于植物顶层区域,该区域受植物顶层流速梯度变化的影响、水面与空气交界的影响,存在着较强的能量和动量交换,因此相对紊流强度最大。比较图9(a)、(b)还可以发现,相同位置处,柔性植被的相对紊动强度比刚性植被的要大,这是由于柔性植被在水流作用下摆动,对附近水流的扰动强烈,因此相对紊动强度较大。

图9 纵向相对紊流强度沿垂线的分布Fig.9 The distribution of longitudinal relative turbulence intensity along the vertical

3 结论

通过水槽试验探讨了刚-柔和柔-刚两种植被布置格局下的水流特性,得出以下结论。

(1)比较两种格局下的接近水面的流速沿程分布可以发现,刚性植被区流速波动平缓,而柔性区流速变化较大,最大值基本出现在柔性区末端。

(2)垂向流速分布表明,在植被区上游断面垂向流速不受影响;而在植被区受植被影响,流速分布呈“S”型或“C”型,柔性植被的流速波动比刚性植被的要大;在下游处植被区仍受水流的影响。

(3)两种格局下沿程水位的变化趋势一致,在植被阻水影响下两种植被内部水位壅高,之后在坡降作用下有所降低,在出植被区后基本恢复。

(4)两种格局下相对紊动强度的垂向分布趋势相似,从底部到水面紊动强度呈先增大后减小再增大的趋势,在植物带内变化幅度较大;在植物顶层区域相对紊动强度最大。

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