斑块植被作用下的复式河道水流结构实验研究

In fluvial ecological construction, the section shape of rivers is mostly compounded. Fluvial vegetation ecosystem, which includes adjusting flow, strengthening river bank, filling ecological water supply and controlling pollution, is recovered by planting vegetation on the river bank. However, these kinds of artificial wetland show the characteristics of single structure and high degree of linear distribution. While natural river wetland vegetation show the characteristics of zonal distribution. In this project, the flow velocity distribution, the secondary flow structure and the turbulent coherent structures under the influence of partition vegetation will be studied by using experimental and theoretical analysis. The main factors which affect section transverse velocity distribution will be obtained. The flow mechanism under the compound channel with vegetation patches will be revealed. And finally, equivalent resistance expression and turbulence coherent structure length in horizontal and vertical direction will be obtained. The results of this project will be used to design section shape of compound channel. Therefore, this project is of great scientific significance for ecological water conservancy construction and is of great practical value in improving ecological river channel design.

河流生态建设中，大都将河道改造成复式断面形状，并通过在滩地种植植被，以期实现防洪、恢复河流生态系统及污染治理等目的。然而，由于缺乏对天然河道内植被分区、分块、带状分布等基本特征及其水力与生态功能的深入了解，人工种植的植被常表现出结构单一，线性分布程度高的特点，生态改建效果往往并不理想。本项目以含有斑块植被分布的复式河道为研究对象，以流体力学和河流动力学原理为基础，采用先进流动测量技术，以试验与理论分析相结合的方法，开展斑块植被作用条件下的复式河道水流流速分布、二次流结构、紊流结构等方面的研究。采用空间平均原理及等效阻力原理，探索植被斑作用下复式河道横断面纵向流速垂线分布规律及滩槽动量交换特性，揭示植被斑块对复式河道水流结构的调整机制，提出植被斑等效阻力表达式以及植被斑诱发的紊动相干结构横向及纵向发展长度计算公式。研究成果将进一步丰富和完善生态水力学基础理论，并可科学的指导河流生态治理措施。

本项目以含有斑块植被分布的复式河道为研究对象，以流体力学和河流动力学原理为基础，采用试验与理论分析相结合的方法，开展斑块及分层植被条件下的河道水流流速分布、二次流结构、紊流结构等方面的研究。研究内容主要有：①概化植被分区模式条件下的水流时均特性；②植被区紊动结构特性；③斑块植被作用下的复式河道滩槽水流交互运动规律；④分层植被流动结构特征；⑤连续弯道结构形式对流动过程的控制。获得的主要研究成果有：（1）含植被水流不同测点位置的速度分布特征为一个或多个拐点，这些拐点对应的涡量场强烈，涡量最大处均为植被层顶部附近；（2）不同柱群布置形式及密度下阻力系数与水流流量呈现为负相关关系，正交设计敏感性分析表明，各因素对河道阻力系数影响敏感顺序依次为：水流流量＞布置形式＞布置密度，其中流量对阻力系数具有显著影响，柱群布置形式与布置密度对于阻力系数影响无显著性；（3）斑块刚性圆柱群下游区域，柱群结构增大了水流紊动强度，此处涡量值显著增大，水流中紊动强度显著增强，最大涡动区域分布在柱群下游中部区域；（4）弯道过渡段长度对监测断面的长度及弯道内水面超高均有较大影响，且这种影响是非线性的耦合影响；（5）大涡数值模拟计算方法，能够较好的模拟由于流体紊动各项异性所引起的涡流结构，其在时间上表现出不稳定性，在空间上表现出尺度、形状及位置的差异性；（6）植被密度较小时，由于植被间距较大，植被下游会产生明显的大尺度涡脱落，形成较长的尾流区，而植被密度较大时，由于植被间距较小，植被所产生的脱落涡被抑制，尾流区较短。本项目研究内容涉及水生植物生态、紊流测试技术、数值模拟及紊流理论，对于生态水利建设具有重要的科学意义，对于我国河流河道整治工程，湿地恢复工程具有重要的应用价值。