非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响

赵瑜琪，彭清娥，史学伟，杨克君

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065)

弯曲河道的水动力特性和水生植被的阻水作用是当前河流动力学研究的热点问题，在弯道的水面横比降[1-2]及流速重分布[3-4]等方向已取得一定成果，对植被阻力的分析主要从水流雷诺数[5]、能坡[6]和植被特性参数[7-10]等层面展开。目前，国内外关于弯道水沙运动的研究较少考虑到植被作用，而含植被水流的研究大多聚焦于顺直河道。弯曲型河段作为冲积河流中常见的河型，由于“凹冲凸淤”的演变特征，其凸岸侧更易生长植被，含植被河道不仅受边界黏性剪切力的作用，还因植被形态阻力而产生局部流速亏损[11]，如改变淹没植被的属性与排列方式均对河道糙率系数有一定影响[12]。因此，将植被因素加入河流动力及生态学研究中具有重要的科学与实践价值。

本文利用90°弯道水槽概化模型模拟天然河道，通过试验获取典型断面水深和三维流速数据，探讨当弯道凸岸侧布设刚性非淹没植被时，不同密度和生长位置下各断面的环流沿程分布规律（环流结构及环流强度）。研究旨在明确植株“群体效应”对弯道水流特性的改变，理解水体中营养成分、污染物及泥沙的输运方式，为预测含植被弯道水流的流速分布、环流特性及河道治理等提供理论依据。

1 试验模型及方案设计

1.1 试验弯道水槽

试验模型采用90°弯道水槽系统，平面布置如图1所示，水槽上游设有水泵、储水池、三角测量堰、静水池和消能栅。上游顺直段长10.5 m，确保水流进入弯道区域前形成稳定状态，下游顺直段长6.5 m，水槽宽为0.6 m，试验段内径为1.2 m，外径为1.8 m，水槽高为0.8 m，全程固定坡度为5‰，尾门开度可以通过调节螺旋尾门手动控制。

图1 90°弯道水槽布置示意图Fig. 1 Schematic diagram of 90° curved flume

水槽上安装有流速仪支架和测针架，支架在横向设有滑轨，纵向安装有滑动螺丝，该设计可以在两个方向上满足流速仪的自由精确移动，满足不同测点的测量要求。试验选用挪威Nortek AS公司生产的多普勒声速三维剖面流速仪，数据采样频率为100 Hz，经预试验分析发现，将测量时间控制在60～90 s内所采集的数据可信度更高。流速仪的采样区位于探头下方4～7 cm处，可以消除探头对水流的影响。原始数据采用文献[13]的方法进行处理，当同时满足相关性大于70且信噪比在15以上时即可记录保存，并利用MATLAB程序将测得的瞬时速度转换为时均流速。

1.2 试验方案

试验将植被布设在凸岸侧0°～90°区间内，植被段宽度设计为河道宽度的1/4。单株模型植被选用均匀圆柱形PVC签，直径4 mm，长度30 cm，按照设计密度布置于带有预留孔的PVC板中，该板由上游至下游紧密衔接，确保床底糙率一致。具体布设情况见图2。

图2 植被模型布置示意图Fig. 2 Schematic diagram of vegetation layout

研究采用植被密度为2.2%和4.5%代表稀疏和茂密情况，密度计算方法为单株模型植被的底面积乘以总株数与植被群布设区域总面积的比值。在系列试验中，采取控制变量法，以距离试验段上游3.5 m处为控制水位断面，通过调节尾门开度将水位控制在20 cm。

试验将植被密度及分布位置（长度）作为主要变量，设计工况见表1。

表1 定床工况Tab. 1 Summary of design conditions

试验段上游到下游一共设有13个测量断面（CS1～CS13），其中对0°～90°弯道段上CS5～CS11之间的7个断面，分别以D0、D15、D30、D45、D60、D75和D90标记。每个断面设置有11条测线，测线间隔为5 cm，垂线序号由凸岸向凹岸递增，断面和测线的布置示意图如图3所示。

图3 试验断面及测线布置Fig. 3 Schematic diagram of test section and line arrangement

2 弯道植被作用下水流特性

张红武等[14]采用反证法从理论上证明了弯道中出现横向环流的必然性，且根据环流产生机制分析，其在河汊、分水口附近及支流入汇处都会存在，对河道物质运输、调整动量平衡等具有重要作用。研究以无植被作用下的弯道水流为参照，对比分析在不同植被密度、分布条件下弯道环流的位置、强度及规模等水流特性。

2.1 不同植被密度

2.1.1 环流结构沿程分布 图4是流量为0.035 m3/s，植被密度分别为0、2.2%、4.5%三种工况下各断面横向环流沿程分布（z/H为相对水深），D45～D75断面间的环流结构分布较相似，故以D60断面作为代表断面分析。

水流入弯道后环流逐渐发展，无植被条件下的环流沿程分布见图4（a1）～（e1），可见，在D0断面处流线已经发生微弯，初步判断可能是受弯道水流作用及水槽边壁的阻碍作用形成了折冲水流[15]。D15断面前横向环流尚未完全成型，而D30断面环流结构已经非常明显，此时环流中心位于z/H=0.2～0.3区间。到D45断面时，横向流速进一步增大，环流中心靠近凸岸侧。至弯道出口断面（D90），环流范围与横向流速均有所减小，但因水流惯性作用，环流在弯道下游一定范围内仍存在影响。试验中也发现水流过弯顶后环流会出现分层结构，在D75和D90断面发现了这种趋势，即在表层出现与主环流方向相反的次生环流，次生环流的位置应该在凹岸上部。因此，弯道水流在运动过程中会出现双涡二次流，试验中主环流即大尺度涡中心位于凸岸底部，次生环流即小尺度涡位于凹岸表面，双涡二次流方向相反且尺度沿程变化。

由图4可知，植被的存在使横向环流发生的位置偏向非植被区，且高密度（ρ=4.5%）植被下的环流区域较低密度植被（ρ=2.2%）更大。同时，凹岸侧底部水流的横向流速明显大于上部横向流速，环流中心位于非植被区z/H=0.2水深位置。在弯道前端（0°～30°区间）未发现环流，且无植被工况下观察到的次生环流在植被作用下也未出现，这表明植被会削弱环流的规模，改变其结构及形成位置，但弯道环流并没有随着植被密度的增大而消减。

图4 不同密度植被作用下断面横向环流分布Fig. 4 Transverse circulation distribution under different densities of vegetation

2.1.2 环流强度沿程分布 环流强度沿程分布较为复杂，与纵向流速、河弯半径及水深等因素有关，本文采用环流旋度（横向流速v/纵向流速u）作为衡量横向环流强度的标准，不同密度植被作用下沿程各断面环流旋度分布如图5所示。剖取z/H=0.1、z/H=0.3、z/H=0.5和z/H=0.7四个流层平面，试验中每个断面选取5条测线代表凸岸区（x=0.17B～0.33B）、中心区（x=0.50B）和凹岸区（x=0.67B～0.83B）。

由图5可知，无植被条件下在弯道前半段（D0～D45），凹岸侧底层水流的环流强度要明显高于上层，而上部水流（z/H＞0.5）的沿程环流旋度（绝对值）逐渐增大，在弯顶断面后达到最大值，该趋势说明次生环流在不断发展；凸岸侧及中心线附近的底部水流（z/H=0.1）在弯顶断面达到最大环流旋度，强度持续到D75断面后开始衰减，但在弯道下游一定范围内仍然存在。根据z/H=0.3流层的相对环流旋度沿程数值较小，可以判断主环流中心位于z/H=0.3流层，且靠近凸岸位置，因为在中心点高度处会出现最小环流旋度。值得注意的是，主环流经过弯顶断面后环流旋度出现衰减趋势，而凹岸侧次生环流则沿程发展，在弯道出口断面达到最大。该趋势表明，水流经过弯顶断面后，次生环流对凹岸侧的影响逐渐开始超过主环流。

图5 不同密度植被作用下沿程环流旋度对比Fig. 5 Comparison of the intensity of circulation with different vegetation densities

而当弯道存在植被时，断面 D0～D30之间植被区对环流旋度的影响并不明显，D30断面后（弯道段中下游），随着植被密度的增加环流旋度增大，这是由于凸岸侧植被的阻力作用使得纵向流速大幅减小，尤其是环流中心z/H=0.3水深位置的环流旋度远大于断面其他流层；图5（b）表明，中心区（x/B=0.5）的环流旋度在植被作用下有所降低。低密度植被下（ρ=2.2%），弯道中下游z/H=0.1水深处的环流旋度要大于其他流层；高密度植被下（ρ=4.5%），z/H=0.5水深处的环流旋度大于其他流层，因此植被密度对各断面不同水深处环流强度的作用效果不同，对其定量描述时需要综合考虑断面水深变化；由图5（c）可知，植被作用下非植被区的沿程环流旋度趋于平稳，不同水深位置环流旋度的差值较小。

2.2 不同植被位置

2.2.1 环流结构沿程分布 为研究凸岸侧植被段的位置对弯道环流结构的影响，将植被区分布铺设为0°～30°、0°～60°及0°～90°三种工况，试验中发现D0～D15断面的环流形态较不明显，而D45～D60断面、D75～D90断面的环流结构和规模相似，故分别以D60和D90作为代表断面分析，其横向环流沿程分布如图6所示。

图6 不同格局植被作用下断面横向环流分布Fig. 6 Distribution of bend circulation with the vegetation at different locations

由图6可知，D30附近环流现象逐渐形成，此时环流规模较小。下游（D45～D90）环流进一步发展，且主要位于x/B=0.75的非植被区（凹岸侧）和植被区边缘之间，环流中心约在z/H=0.2水深处。0°～60°和0°～30°植被段上的环流结构分布规律相似。

与无植被条件下断面环流分布相比，植被作用下环流的规模减小，环流中心下降。3种植被布设方式均抑制了0°～30°弯道段环流的产生，其中0°～90°植被段对弯道环流的削弱作用最大，横向环流的中心被压缩向凹岸侧，在弯道出口处环流趋于消失。

2.2.2 环流强度沿程分布 植被在不同布设方式（长度）下，沿程各断面环流旋度（横向流速/纵向流速）的分布见图7。

图7 不同位置植被作用下沿程环流旋度对比Fig. 7 Comparison of the circulation curl with vegetation at different locations

试验发现，植被区的环流旋度一般在植被尾段较大，如0°～30°植被段的D15断面附近，0°～60°植被段的D45断面附近，以及0°～90°植被段的弯道出口处。从中心线环流强度的沿程变化来看，植被段布设长度的变化导致沿程环流旋度数值整体减小，尤其是对弯道中下游，且0°～90°植被段对弯道环流的削弱效果相对更明显。凹岸侧环流旋度整体较平稳，受植被布设方式影响较小。

3 结 语

本文通过物理模型研究了在90°弯曲河道中，凸岸侧布设刚性非淹没植被对弯道水流特性的影响，研究表明，植被阻力减缓了弯道前段主环流的发展，且环流中心向无植被区（凹岸侧）底层转移，次生环流消失；植被段的纵跨越长，对弯道环流的削弱作用越大，在一定范围内抑制了纵向紊动强度，凸岸侧垂向紊动明显减弱。此外，相比于高密度植被（ρ=4.5%），低密度植被（ρ=2.2%）对弯道环流的消减作用更强，环流区域更小，初步判断是由于高密度植被作用下，动能交换强度更大从而影响范围越大，其间是否存在临界密度值还需进一步研究。