柔性淹没植被形态和排列方式对明渠水力特性的影响研究

发布时间：2020-11-12 13:36

　　 水生植被造成水流阻力增大,河道行洪能力降低。水流在植被附近易形成局部强剪切流,在植被根部产生冲刷侵蚀,植被稳定性受到影响。然而要准确的描述这种水流冲刷作用,须对河道中植被水流结构进行精细化分析研究。本文以收集的大量资料为基础,对国内外有关含植被水流问题的研究现状进行系统总结分析。以柔性淹没植被狐尾藻属植物为研究对象,选取宽高比分别为0.18、0.25、0.33的模型塑料草在矩形和梅花形排列方式下进行含柔性淹没植被明渠水流运动规律试验,对植被不同形态和排列方式下的水流流速、水位进行测量,分析植被形态和排列方式对时均纵向流速、糙率系数、紊动强度以及雷诺应力分布的影响。结果表明:(1)将沿程水面线分为上游壅水区、植被带区、下游恢复区三个区域研究植被形态和排列方式对水面线的影响。发现梅花形排列方式以及植被宽高比较大时,壅水效果显著,且在植被带区域梅花形排列方式下水面线降幅较大,矩形排列方式下植被带下游恢复区水面线回升速率较快;明渠种植植被后时均纵向流速呈“S”形分布,1/2植被高度处出现极小值。植被层内部植被形态和排列方式对时均纵向流速影响较大,植被层上部,时均纵向流速呈对数分布;梅花形排列方式下植被对水头损失、水力坡降和糙率系数的影响较大,而植被形态对其影响较小。(2)植被形态和排列方式对植被带上游壅水区紊动强度影响较小,而在植被带区域,梅花形排列方式以及植被宽高比的增加对紊动强度影响较大,植被带下游恢复区,矩形排列方式下紊动强度降幅较大;植被层内部,紊动强度增加,在植被顶部达到极大值,矩形排列方式下紊动强度增长幅度较大,且随植被宽高比的增加而增大。(3)含柔性淹没植被明渠水流雷诺应力出现明显的分区现象,随植被宽高比的增加,雷诺应力增大;在植被顶部雷诺应力出现了极大值,梅花形排列方式下数值较大,且向床面递减,梅花形排列方式下减小幅度较大。表明植被在该排列方式下能够较好地保持河床形态的平整,减少水流对河床的冲刷侵蚀;其象限分析发现,矩形排列方式下,“向外交互”流态在植被层上部占主导,“猝发”流态在植被层下部占主导,梅花形排列方式下,“向内交互”流态在植被层下部占主导。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TV133
【部分图文】：

柔性淹没植被形态和排列方式对明渠水力特性的影响研究2a）合理植被群落布置b）水体富营养化现象图1.1河道植被群落和水体富营养化图1.2河道植被动特性增强，其分布规律发生了明显的改变（见图1.2）。鉴于天然河道中植被种类丰富且种植方式复杂多样，以水流流速为出发点，探讨水流紊动特性和水流的相互作用，对河道水体内源污染的治理、污染物的净化与输移、生物多样性的维护起到重要的指导作用，有利于大力推动水环境保护与治理技术以及河道、湖泊、滩地生态修复的发展。因此，开展明渠水生植被作用下水流的水动力特性研究不仅为河流生态的修复与运行管理提供科学依据，而且对生态水力学和紊流力学的发展具有重要的理论意义。1.2国内外研究现状1.2.1含植被水流流速特性研究Hsieh和Shiu[9]基于湍流理论和毕奥多孔隙弹性理论来研究植被区水流流速垂向分布，得到流场解析解，并将其和实验数据进行比较验证；D.Liu等[10]和YangW等[11]发现植被密度和高度会影响双层植被流速恒定区域面积，并提出与植被密度相关的流速分布表达式；由于流速和植被种类不同，StoneMC等[12]、ElbietaKubrak等[13]通过研究柔性淹没植被在明渠水流作用发生不同程度的弯曲，得到了

柔性淹没植被形态和排列方式对明渠水力特性的影响研究2a）合理植被群落布置b）水体富营养化现象图1.1河道植被群落和水体富营养化图1.2河道植被动特性增强，其分布规律发生了明显的改变（见图1.2）。鉴于天然河道中植被种类丰富且种植方式复杂多样，以水流流速为出发点，探讨水流紊动特性和水流的相互作用，对河道水体内源污染的治理、污染物的净化与输移、生物多样性的维护起到重要的指导作用，有利于大力推动水环境保护与治理技术以及河道、湖泊、滩地生态修复的发展。因此，开展明渠水生植被作用下水流的水动力特性研究不仅为河流生态的修复与运行管理提供科学依据，而且对生态水力学和紊流力学的发展具有重要的理论意义。1.2国内外研究现状1.2.1含植被水流流速特性研究Hsieh和Shiu[9]基于湍流理论和毕奥多孔隙弹性理论来研究植被区水流流速垂向分布，得到流场解析解，并将其和实验数据进行比较验证；D.Liu等[10]和YangW等[11]发现植被密度和高度会影响双层植被流速恒定区域面积，并提出与植被密度相关的流速分布表达式；由于流速和植被种类不同，StoneMC等[12]、ElbietaKubrak等[13]通过研究柔性淹没植被在明渠水流作用发生不同程度的弯曲，得到了

潭群土髁看笮〉墓叵担?⑾?水流纵向流速沿垂线呈“S”形分布，将其分为植被内部区、过渡区和上部区，过渡区内流速受植被密度影响显著，在植被层上部区时均流速呈对数分布，并结合普朗特混合长度理论推导出水流流速表达式（公式1.1），不同工况只需调节值便得到对应工况流速表达式[16-18]。01ln11**vuzukukhu=++（1.1）式中：u*为植被顶端摩阻流速；0u为植被层顶部时均纵向流速；k为卡门常数，取0.4；z为水深；vh为植被有效高度。刘昭伟等[19]以灌木植被为原型，以植被水流水平速度分区模型（见图1.3，h为水深，k为植被高度）为出发点，在水流动量平衡的基础上借助混合长度紊流模型得到植被水流流速垂向分布微分方程，并与Baptist公式进行对比，发现有较好的适用性。张英豪等[20]以苦草为研究对象，得到水流流速垂向分布和冠层内部水流结构调整特征（见图1.4），发现在苦草冠层的影响下，流量增加，冠层倒伏高度降低，流速对数分布剖面显著。图1.3植被水流水平速度分区[19]图1.4苦草冠层植被内部水流结构[20]通过对比分析植被覆盖条件下坡面流水力特性，发现坡度和覆盖度对水流流态以及各参数之间的关系影响较大，相较于柔性植被而言，刚性植被对流速的减缓效果显著（见图1.5）[21,22]。
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本文编号：2880800