含刚性沉水植物明渠水流结构的试验研究

王子建，丁 雪，吉庆丰

（扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引 言

自国务院发布《水污染防治行动》以来，全国各个地区都在积极采取行动治理黑臭河道。整治黑臭河道最重要的就是加强河流生态系统建设[1]，而水生植物作为河流生态系统中必不可少的组成部分[2]，不仅可以净化河湖水系，为河流中的生物提供良好的生存环境，而且河岸种植的植物还具有美化景观的作用。因此，研究水生植物对于黑臭河道的治理具有非常重要的意义。

David等[3]在铺有细碎石子的槽底种植不同密度的柔性植被，植被的高度小于水深，呈淹没状态，通过物理试验研究了水流的阻力特性和紊动特性。Ortiz等[4]研究了种有淹没柔性植物和非淹没刚性植物明渠的水流特性和泥沙沉积。Zeng等[5]对水流流经半刚性植被时的阻力特性进行了研究，采用了2种研究方法，一是进行了物理试验，二是建立数学模型进行了数值模拟。Shi等[6]对不同流量不同植物密度的含植物水槽进行了试验，将流动分为3个区域，研究了曼宁糙率系数、雷诺数以及弗劳德数3个参数的变化规律。渠庚等[7]利用 ADV对无植物、含淹没型植物、含非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律进行了研究，对不同植物的水流阻力进行分区回归分析，得到各植物的水流阻力在不同分区的经验表达式。景何仿等[8]利用水位计及 LDV等仪器对不同工况下的流速分布、水位分布等进行了测量，指出植物区域的流速、水面坡降与植被的种植密度、排列方式密切相关。李坤芳等[9]通过在水槽中布置交错排列的竹签研究非淹没的刚性植物对水流不同方向的紊动能所产生的影响，发现植物对不同方向的紊动能分布影响程度不一样。

含植物明渠流速分布的变化对于明渠水流的阻力特性、紊流特性等都会产生影响[10]，而且含植物明渠的流速分布与普通明渠的流速分布差异很大，植物自身刚度特性、高度、分布密度等因素都会影响含植物明渠的流速分布。紊动强度的分布直接反映了水流紊动的强弱程度，雷诺应力是剪切流场中紊动引起的动量交换的结果，也是反映水流紊动特性的重要指标。对以上物理量的测量对于研究含植物明渠中水流具有重要的意义。现代测量仪器的发展，为流场测量提供了新的契机。粒子图像测速仪（PIV）克服了单点测量的不足，能够提供瞬时全场的流动信息。本文利用 PIV对含刚性沉水植物明渠的水流特性进行了水槽试验，研究了不同流量、不同密度情况下流速、紊动强度以及雷诺应力的分布规律。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验在长×宽×高为8 m×1 m×0.35 m的有机玻璃水槽中进行。试验装置图见图1，水槽为自循环供水，在管路中装有电磁流量计、混流泵、调节阀门。为了确保试验段水流平稳，在水槽进口处设有2道整流栅，并在2道整流栅之间布置稳水隔板。在水槽出水处使用水管吸水，在出口处距离吸水管上游30 cm的地方也布置了一道整流栅。试验方案设计的植物带长度为2 m，在水槽底部中间位置铺设有PVC塑料板，塑料板的厚度为1 cm，板上钻有距离相等的小孔用于安插植物。

图1 水槽布置示意图（cm）Fig.1 Diagram of flume layout(cm)

图2 植物平面布置图（cm）Fig.2 Plane layout of plants(cm)

表1 工况参数Table 1 Working condition parameter

1.2 试验工况及方法

采用有机玻璃棒代替刚性植物，有机玻璃棒直径为6 mm，长度分别为7 cm和10 cm，布置完成后淹没情况的模拟植物高度分别为6 cm及9 cm。试验时水深h为0.28 m；流量Q分为3个量级，分别为120、85、40 m3/h；植物密度D有2种，分别为600、2 400 p/m²，模拟植物采用等间距平行布置，其平面布置如图2所示。雷诺数Re=vh/ν，式中：ν为水的运动粘度，用断面平均流速um代入；Re=13 642~40 926，大于500为紊流；水温T用温度计测量；试验工况见表1。

试验时先对上下游水位进行测量，通过电磁流量计和混流泵调节阀门，调整水槽中的流量为所需流量。在水位和流量调整好后，待水流稳定，利用PIV测量获得流场数据，然后在Dynamic Studio中对相机拍摄的流场照片进行处理，导出流场数据。本试验采用自适应互相关算法，拍摄时采用双帧模式，采集80对图片，处理后剔除数据明显不合理的矢量图，然后进行后续处理。

2 结果与分析

2.1 流速分布规律

工况1和工况2下测得的平均流速分布见图3。

图3 有植物与无植物平均流速分布规律对比图Fig.3 Comparison of average velocity distribution between plants and no plants

由图3可以看出，无植物时流速沿垂向呈对数分布，由于水槽槽底黏滞力的存在，在水槽底部流速较小，沿水深往上，由于摆脱了黏滞力的作用，流速逐渐增大至最大值，然后保持最大值基本不变。有植物存在时，流速不再符合对数分布规律，而是呈现明显的分区分布特征，在植物带内部，由于植物的阻水作用，流速极小，在植物带上方由于摆脱了植物的阻水作用，流速逐渐增大，在靠近水面处增至最大值，然后保持最大值基本不变。有植物存在时水槽中的最大流速大于无植物存在时的最大流速。

工况2、工况3、工况4下测得的平均流速分布见图4。由图4可知，水槽中进水流量越大水流的流速就越大，同时植物顶端位置的流速梯度以及植物带上方所达到的流速最大值也越大。工况2、工况5下测得的平均流速分布见图5。由图5可知，植物的种植密度越大，植物带内部的速度越小，而植物带上方的流速最大值越大，同时植物顶端位置的流速梯度随着密度的增大而增大。

图4 不同流量工况下流速沿垂向分布图Fig.4 Vertical distribution of flow velocity under different flow conditions

图5 不同植物密度工况下流速沿垂向分布图Fig.5 Vertical distribution of flow velocity under different plant density conditions

河底的刚性植物将会极大地改变水流的流速分布，含刚性沉底植物明渠中自由水面附近与水底附近的流速大小差异很大，植物顶端位置上部较大的流速梯度意味着在这一区域水流紊动程度较强。对于实际河道，流速分布的改变将会导致河道过流能力的改变，势必将对河道行洪、排涝、灌溉等功能产生影响。

2.2 紊动强度分布规律

工况1和工况2下测得的紊动强度分布规律见图6。由图6可知，水槽中无植物时紊动强度沿垂向分布的变化不大；有植物存在时，水流明显紊动剧烈，紊动强度自槽底开始逐渐增加，在植物顶端位置紊动强度达到最大值，而后紊动强度又逐渐减小，在靠近水面处一段距离紊动强度保持较小的数值且几乎不变。

工况2、工况3、工况4下紊动强度沿垂向的分布见图7。由图7可知，无论是植物顶端位置以上或是以下区域，流量越大，紊动强度越大。工况2和工况5下紊动强度沿垂向的分布见图8，由图8可知，在植物顶端位置以下以及靠近水面的区域，分布密度对紊动强度的影响较小；分布密度对紊动强度在植物顶端位置以上区域影响最大，在该区域，紊动强度随植物密度的增大而增大。

图6 有植物与无植物紊动强度分布规律对比图Fig.6 Comparison of distribution law of turbulence intensity between plants and no plants

图7 不同流量工况下紊动强度沿垂向分布图Fig.7 Vertical distribution of turbulence intensity under different flow conditions

图8 不同植物密度工况下紊动强度沿垂向分布图Fig.8 Vertical distribution of turbulence intensity under different plants density conditions

相比于普通明渠，含刚性沉水植物明渠中的水流紊动强度显著增强，植物密度或者流量的增大都会扩大这一影响。紊动强度增大，意味着水流紊动掺混更加剧烈，流体质点交换和能量传递增强。在实际河道中，紊动作用的增强有利于污染物质输移，水体水质净化，这对于改善河道环境，改良河道生态等都具有重要的意义。

2.3 雷诺应力分布规律

通过PIV测量得到的雷诺应力可表示为：

工况1和工况2下测得的雷诺应力沿垂向的分布见图9，工况2、工况3、工况4下雷诺应力沿垂向的分布见图10，工况2和工况5下测得的雷诺应力分布见图11。将雷诺应力的分布规律与紊动强度的分布规律做比较，发现二者的分布规律相似。有植物时雷诺应力的最大值同样出现在植物顶端位置附近。流量或植物密度越大，植物顶端位置的雷诺应力也就越大。雷诺应力是由于紊动水团的交换在流层之间产生的附加切应力，由雷诺应力的表达式可以看出，雷诺应力与脉动流速及液体密度有关，对于本试验而言，雷诺应力在不同工况下的不同分布主要与脉动流速有关，这与脉动强度是一致的，而不同工况下脉动流速的差异是流量和植物密度的不同导致的，因此雷诺应力的分布规律与紊动强度的分布规律相似是合理的。

图9 有植物与无植物雷诺应力分布规律对比图Fig.9 Comparison of Reynolds stress distribution between plants and no plants

图10 不同流量工况下测点处雷诺应力分布图Fig.10 Vertical distribution of Reynolds stress under different flow conditions

图11 不同植物密度工况下测点处雷诺应力分布图Fig.11 Vertical distribution of Reynolds stress under different plants density conditions

图12 数值模拟与水槽试验的流速分布对比图Fig.12 Comparison of flow velocity distribution between numerical simulation and physical model experiment

图13 数值模拟不同流量工况下紊动强度沿垂向分布图Fig.13 Vertical distribution of turbulence intensity under different flow conditions(numerical simulation)

3 讨 论

丁雪等[11]采用多孔介质模型的结果与本研究中水槽试验的结果基本一致。流速沿垂向的分布在植物顶端位置以下吻合较好，在植物顶端位置以上部分，水槽试验结果的流速梯度更大，流速曲线拐点位置相比数值模拟的结果更高。

对于紊动强度，水槽试验和数值模拟的结果也是基本吻合的，在细节上有所区别。数值模拟时，紊动强度在沿z轴正方向达到最大值后迅速减小，在水面附近区域都保持较小的数值。而在水槽试验中，紊动强度在沿z轴正方向达到最大值后逐渐减小，在接近水面时降至一较小值后保持稳定。此外，数值模拟时紊动强度的最大值所在的高度稍高于植物顶端位置高度，这一现象在物理模拟中不明显，但在数值模拟中极为明显。

4 结 论

1）在水槽槽底布置植物，改变了水槽的槽底结构。由于受到植物的阻碍，水流结构发生改变，流速分布较之于普通明渠区别很大。

2）水流紊动掺混增强，流体质点交换和能量交换则增强。

3）在植物顶端位置附近，植物的阻水作用尤为明显，此处出现了最大的流速梯度，最大的紊动强度和最大的雷诺应力，且这一特征随着流量、植物密度的增大而表现得越发明显。