含植物河道紊流结构研究

白如双

(锦州市北镇市水利勘测设计队，辽宁 锦州 121300)

含植物河道紊流结构研究

白如双

(锦州市北镇市水利勘测设计队，辽宁 锦州 121300)

自然河流中，水生植物的生长使河道中的紊流结构产生了改变。普通明渠紊流中，含植物河道水体掺混剧烈，结构复杂，由于紊流结构对河流泥沙、营养物等的输送转移造成直接影响，因此，加大对含植物河道紊流结构的研究力度十分必要。文章通过分析含植物河道紊流平均流速、紊动特性和拟序结构特点，对其进行深入研究，并适当给出建议，以期解决水土流失和河道生态问题。

含植物河道;紊流结构;平均流速;流动类型;建议

植物是河流生态系统中的重要组成部分，植物可以改变水流阻力，可以抬高河道水位，造成河流紊动掺混作用家居，河道中推移质以及泥沙数以等发生相应的改变，想要对水土流失和河道生态问题进行研究就必须了解和研究含植物河道紊流结构。河道紊流是由于河流流速脉动引起水层间相互作用，造成涡旋后引起横向和竖向水体不断交换，进而带动能量与热量的交换。

1 含植物河道紊流平均流速

有研究指出，河流的纵向流速与水深分布已经不再遵循传统对数率，出现了流速分区现象，且较为明显[1]。中国学者立足于植物的生态作用，将挺水植物水蕨与沉水植物菖蒲栽种于水槽中，等植物生长稳定后方进行实验。饰演的粗结论沉水植物的垂线总线流速分布是：以植物顶端为拐点，呈现反的“S”型，而挺水植物，则为非淹没状态，因此，沉水植物的流速变化则是以茎干以及枝叶分叉处为拐点，茎干下的流速逐渐增大，枝叶上则会由于枝叶间的摩擦消耗流动能量，导致流速减小。由此可见，沉水植物条件下的流速分布与一般规律吻合，但是挺水植物条件下的流速出现了根茎以上流速减小的情况，者也许是由于所选植物水蕨在根茎上方长出分叉的枝叶，摆动的枝叶增加了水流的阻力，进而使河流的流速逐渐减小。其实，从整体上来看，纵向平均流速沿整个水深的分布，难以用统一的函数规律进行描述，因为，这会受到植物条件下流速分布和其他参数的影响，如：植物条件，包含：植物密度、植物形状、植物硬度、植物分布方式等；水流条件，包括：河流断面平均流速、植物淹没度等。采用水流和植物条件的不同，所得到的流速分布特点也不同。

当前存在两区划分和三区划分2种方式。所谓两区划分，主要是指以植物顶部为界限，植物顶部以下受到的植物阻力较大，则流速逐步减小，植物顶部以上流速分布与对数旅相吻合，这种划分方法简单清晰，但是没有充分体现出植物顶端附近讯在的平均流速拐点。随着时代的发展和测量技术的进步，越来越多的研究者认为，以三区划分的方式更为科学合理。所谓三区划分，就是指植物根茎部流速梯度小，植物顶部附近区域流速分布出现拐点，植物外层区域流速梯度较大，且与对数分布规律相适应。

整体来看，以上研究已经扩展到了影响流速分布的各因素研究，如：植物排列方式、植物几何形状、植物淹没度。今后各位学者研究的重点应该放在如何确定植物特性和水流特性等个影响因素与平均流速之间的关系上。

2 含植物河道紊流紊动特性

与无植物状况相比较，含植物明渠紊动特性有一个明显的特点：植物层与非植物层的交界处会产生剧烈的剪切作用。主要的紊动特性，则有：紊动强度、紊动耗散、能量平衡以及雷诺应力，在含植物河道中，雷诺应力以及紊动强度会发生较大的改变，总结各方研究结发现，紊动强度以及雷诺应力最大值应该在植物顶部与非植物区的交界处，且植物的刚度、枝叶、淹没度大小以及密度大小等都会对紊动强度及雷诺应力造成一定的影响。

生态河流概念下，水流紊动与水生植物之间的交换研究越来越受到研究者的关注，某些研究者以模拟真实植物的方式，对水流文动特性进行了深层次的研究。这些学者立足于、几何相似准则以及弗劳德数相似准则，同时根据植物的真实集合特性、力学的特性，模拟了植物水槽试验，对有叶植物和无叶植物下的流场结构进行对比分析，最终从实验结果分析中发现，有叶植物紊动强度以及雷诺应力最大值出现位置较高，但无叶植物紊动强度以及雷诺应力的最大值出现在植物顶端。在此基础上，研究者还在水槽中通过种植真实柔性沉水植物来进行研究比对，实验表明，挺水植物紊动强度以及雷诺应力最大值出现在茎干和枝叶分叉处，但是沉水植物的紊动强度以及雷诺应力的最大值出现在植物顶端、植物顶端靠上的区域内，与此同时，水流条件下挺熟植物紊动强度以及雷诺应力最大值比沉水植物大出许多。

另外，还有学者基于熵概念，刻画了含淹没刚柔植物紊流特性。首先，研究者利用 ADV、PIV分析出了涡量场分布，进而将其特征引出并开展拟熵来研究，研究水流能量耗散机理[2]。由于紊流特征拟熵是瞬时涡量场的函数，与紊流耗散率成正比例关系。因此，含植物河道水流特征拟熵增大，其最大值在植物冠层顶端附近，且流量越大，最大值越大。在相同流量下，刚性植物所得最大值比柔性植物最大值大2-5倍。由此可见，刚性植物与柔性植物相比，柔性织物水流能量损失比刚性植物少。利用这种从能量消耗上研究植物水流紊动性特征的方法还应该进行进一步的研究和分析。

还有一部分研究者利用鸭毛模拟灌木、塑料吸管模拟乔木、塑料草模拟野草，进行相关实验，最终得出结论：不同滩地植物作用下，水流紊动特性同的结论。在滩地种植植物以后，水流的紊动强度会在纵向、横向上都有明显增加，且增加大小相近。研究者经过分析研究后发现，产生这一情况的主要原因是：复式明渠主槽与滩地之间水流动量交换加剧，使横向紊动强度加大。另外，由于河滩种植植物大部分是非淹没状态，紊动强度没有最大值拐点情况，主要是呈S型分布。研究滩槽交换与植物同时作用的紊流结构可以对河滩综述生态修复工程进行指导与修正。

3 含植物河道紊拟序结构特点

不管从流速高阶矩刻画来看，还是从涡的直接描述看，研究者采集的实验数据但部分集中在单点测量中，虽然单点测量可以得到定量数据，但是无法对紊流结构进行清晰的反映，特别是拟序结构较为复杂的植物区与非植物区交界处，由此可见，紊流结构的类型判定十分困难[3]。研究者在研究过程中得出结论：垂向上分为三区流动类型，但各研究者针对各区的划分位置和划分方位各不相同。例如：Nezu认为,挺水区的紊流拟序结构特点为：近床面呈反梯度流速，尾流速强烈；混合层区的紊流拟序结构特点为：混合层厚度与淹没度相关、清扫占主导；对数区的紊流拟序结构特点为：流速与对数律分布一直，喷射占主导。Nepf认为，低冠层区的紊流拟序结构特点为：紊流随着单独植物的根茎产生，且尺度与植物直径相当，紊动能较小；植物剪切区的紊流拟序结构特点为：渗透深度保持恒定，且柔性植物下出现Monami现象；边界层区的紊流拟序结构特点与传统对数分布规律一致。

4 对含植物河道紊流建构的建议

文章针对含植物河道紊流结构的研究，提出几点建议：

1)对植物条件下拟序结构的形成机理和发展过程进行进一步研究。即利用场与点的综合测量法，对粗发现象的喷射角、喷射高度以及猝发频率进行记录统计和计算分析，并对拟序涡的运动周期、运动长度和运动尺度等进行刻画。同时对相干结构和非相干结构之间的依存变化进行综合分析。

2)对植物排列方式、植物几何形状、紊流统计特征、紊流拟序结构特点、植物淹没度等对紊流结构的影响进行综合比较，判断各个因素的影响程度。这些研究成果对于植物生态修复工程中，紊流控制、植物种类选择等方面具有指导作用。

3)由于有部分天然河流存在一定的弯曲度，二次环流的作用与前两种作用同时发生时，其紊流结构需要研究者进行更细致的分析与研究。同时，由于在自然河流中存在大量河滩植物，则在植物和非植物区交换、滩槽交换同时作用的情况下，紊流结构变得更为复杂，研究者应该对局部植物条件下紊流机理和类型进行更深层次的研究[4]。

4)含植物河道水动力特征的研究成果大部分是通过室内水槽实验来得出结果，因此，实验过程中大部分采用金属制造或者是塑料制造的简单模型植物，模型渠道断面主要以矩形断面为主，很少出现复式断面，这些情况与实际河流相比，还是存在一定的差异性[5]。且植物的生物力学特性会随着季节的改变而产生改变，如生长形态和柔韧度灰随着季节的改变而产生改变。为了减少实验误差，研究者应该在室内模型实验研究的基础上，结合野外原型观测，充分考虑植物生长以及河道实际情况，解决室内模型实验研究误差较大的问题[6]。

5 结 语

总而言之，含植物河道文流结构与植物几何特性、密度、水流速度、水流强度以及水流淹没度等有密切联系，对其产生影响的因素较多，再加上文流结构成因复杂，导致含植物河道紊流结构的研究难度加大。针对此，研究人员应该从河道实际情况出发，选用合理的测量方法，综合分析结构的变化，同时对涡旋结构进行分析研究。另外，在自然河流中存在较多的河滩植物，应该注意植物区与非植物区、河滩与河槽之间的交换，从宏观的角度对含植物河道文流结构进行研究，对水土流失和河道生态问题进行进一步的思考。

[1]曹载宏.生态联锁式护坡技术在河道护坡工程中的应用[J].水利规划与设计，2014(01)：51-53+59.

[2]李新芝，王小德.论城市河道中直立式护岸改造模式[J].水利规划与设计，2009(06)：60-63.

[3]张书滨，陈静.南昌市乌沙河整治中的生态设计[J].水利技术监督，2009(05)：19-21+46.

[4]刘红丽，王洪军，张树国，等.防洪工程生态护坡刍议[J].水利技术监督，2008(06)：44-45.

[5]田晓静，高金超，王迎风.防洪河道生态护坡工程探析[J].黑龙江水利科技，2009(06)：97-98.

[6]赵鹏程，陈东田，刘雪，等.河道生态建设的技术研究[J].中国农学通报，2011，27(08)：291-295.

Study on Turbulent Structure of River Course Containing Plants

BAI Ru-shuang

(Beizhen Urban Water Conservancy Investigation & Design Team，Beizhen 121300，China)

The growth of aquatic plants changes the turbulent structure of river course in the natural rivers. Water body of river course containing with plants mixed intensely in ordinary open-channel turbulent with complex structure，the structure of turbulent affected directly transmission of the river sediment and nutrients，therefore，it is necessary to strength the research of turbulent structure of river course mixed with plants. By analyzing the mean velocity of vegetated channel turbulent，the turbulence characteristics and coherent structure characteristics，this paper supplies suggestions to solve the problems of soil and water erosion and ecology of river course.

river course containing plants; turbulent structure; mean velocity; type of flowing;suggestion

1007-7596(2016)12-0020-03

2016-11-24

白如双(1966-)，男，辽宁锦州人，工程师，从事水利工程规划勘测、整编、水利工程建设与管理工作。

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