突然扩大河道不同特性植物水流特性的研究

摘要：该实验通过在一个突然扩大的河道分别对柔性植物、刚性植物水流特性进行研究。通过实验研究发现：(1)无论种植刚性植物还是柔性植物，我们以植物最高点为界其流速分布有明显区别。此外A、B断面与C断面流速分布图型也有明显区别。(2)柔性植物与刚性植物的紊流强度分布出现多转折点多S型分布，并且紊流强弱与植物刚柔性有关。

关键词：刚柔性植物　突然扩大河道　流速分布　稳流强度

中图分类号：TV13　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)005-089-02

自然界中的河流中大多都有一些植物。这些植物有的是刚性的，有的是柔性的。出于对河道的整治和防洪安全的考虑，我们有必要对了解植物对水流特性和紊动强度的影响。关于这一方面的研究，国内外已经做了一些实验，得出了一些结论。吴福生。的采用绿色塑料模拟柔性植物来研究植物对水流及泥沙运动的影响，倪汗根采用PVC管模拟芦苇在底坡为水平的玻璃水槽中对非淹没条件下的芦苇的阻水特性进行研究，确定曼宁系数。

1.　实验布置

实验在水力学实验室的一个断面突然扩大的水槽内进行，水槽长，窄处宽0.12米，宽处长0.2米，高。充分考虑各实验数据的稳定性，植物布置在板的中部位置，孔共布置10行，每行距离均为，孔的间距为，孔的布置及相关数据如图1：

试验中采用多普勒声速测速仪(ADV)测量流速。测量断面分别如图l所示的A、B、C断面。利用ADV在每个断面的中垂线上，从离泥土面2CM处每个0.5CM进行一个点流速的测定，每个断面测量的点不少于15个。

此次实验采用柔性植物与刚性植物，并在宽窄突变水槽中进行实验。植物位置的布置见图1。

2.　实验结果的分析

2.1　三个断面流速的分布

在图2、3、4中的系列1均代表刚性植物，系列2均代表柔性植物。

从图中可以看出。以植物的高度为界，在植物高度以下水流呈现s型分布，而植物高度以上，水流可以近似呈现对数分布。这是因为植物高度以上水流受植物影响很少近似于没有植物的水流状态，而植物高度以下水流分布受植物影响，近似于S型分布。

植物对水流的阻碍作用与植物本身的特性有关。从每个图中不同特性植物的阻水效果可以看出，刚性植物存在的河道水流减小的幅度小，而柔性植物存在的河道水流流速减小的幅度大。这是因为在选材上，柔性植物的枝叶比刚性植物茂盛，刚性植物的阻水效果相当于是一个半径较小的圆柱体，而柔性植物的阻水模型好似一个柔性坝，增大了阻水效果。

图2、3与图3比较可以看出，图1、2中水流流速随着植物高度的增加其流速的变化是比较紊乱的，而图3中水流流速变化大致是随着植物高度的增加呈现逐渐增大的稳定变化的趋势。分析可以得出，A断面的截面宽度较窄，其中垂线距离两侧边壁都比较近，这里受边界紊流影响较大，因此测出的流速变化较凌乱。而B截面是在突然扩大的断面附近，突然扩大的水流会产生水体漩涡，使得水流流速随着植物高度的增加而呈现不稳定的变化趋势，大体上呈现S型分布。

2.2　水流的紊动强度分析

笔者在此处定义Ti／V为相对紊动强度，其中Ti为这一方向上的紊动强度。在这里并没有将z方向的问动强度列为研究对象(以下所提到的紊动强度均指相对紊动强度)。

从图示5可以看出在贴近于水面出的河床处的刚、柔性植物的x，Y方向的紊动强度都比较小，总体上来看刚性植物的x方向的紊动强度低于柔性植物X方向的紊动强度，但刚性植物Y方向的紊动强度强于柔性植物Y方向的紊动强度。在相对深度0.35处，刚性植物、柔性植物在x、Y方向相对紊动强度均第一次达到最大值，之后其相对紊动强度均不同程度的减小，整体上讲在A断面其相对紊动强度均在剧烈明显的变化，总体呈现S型分布。从x、Y两个方向的紊动强度可知，Y方向的紊动强度变化程度大于x方向的紊动强度，分析原因可得，Y方向为垂直于边壁的方向，在这个方向上边壁距离中垂线很近，边壁处会产生巨大的粘滞阻力，粘滞阻力会引起微小的水体漩涡，而这种漩涡在Y方向上要强于x方向，因此Y方向的紊动强度变化要比X方向更为剧烈。

在相对深度大约为0.15处，刚性植物在这里X、Y方向的紊动强度达到最小值，而柔性植物的相对紊动强度达到最大值，这里是相对强度变化的一个很明显的一个拐点。柔性植物在相对深度为0.6时，其X、Y两个方向的紊动强度均很弱，而刚性植物在相对深度为0.6时紊动强度比柔性植物大很多。两种植物整体的相对强度分布在两个方向上均呈现复杂的s型分布。Y方向上的紊动强度变化幅度整体上要比x方向要强，那是因为Y方向是垂直于边壁的方向，在这个方向上的B截面的宽度急剧扩大，这就使得水流在Y方向上流速的变化复杂而剧烈，因此才会出现Y方向上紊动强度变化的趋势明显大于X方向。

在相对深度为0.2时，柔性植物X、Y两个方向和刚性植物的x方向的相对紊动强度均呈现增强的趋势，而刚性植物的Y方向则呈现减弱的趋势。柔性植物X、Y两个方向和刚性植物的X方向的相对紊动强度均变化的比较平缓，而刚性植物的Y方向变化的却异常剧烈。在相对深度为0.5时两种植物两个方向的相对紊动强度均呈现减弱的趋势，总体上将每种植物的两个方向均呈现S型分布。

3.　结论

(1)植物种植后水流流速分布变得复杂起来。以植物的高度为界，在植物高度以下水流呈现s型分布，而植物高度以上，水流可以近似呈现对数分布。s型分布的趋势受到植物本身的柔软度的影响，还会受截面的位置的影响。

(2)种植植物后，水流的相对紊动强度变得复杂起来，紊动强度整体呈现s型分布。可以看出，紊动强度曲线上是有转折点的，转折点的位置由植物的特性和断面的位置共同决定。

注释：

①吴福生，含植物的水力学研究与进展[J]，水科学进展，2007，18(3)：456-461.

②倪汗根，湿地非淹没芦苇水流阻力的实验研究[J]，水力学研究与进展A辑，2005，20(2)：167-173.