滩地植被化河道的水流结构和悬沙输移规律研究

Floodplain vegetation is an important part of the ecosystem of the river. Vegetation impacts the flow hydraulics, sediment deposition and erosion, which has great influence on physical and ecological functions of the river directly or indirectly. In the environmental and ecological hydraulics research area, it is one of the hot and difficult issues to study and characterize the flow-vegetation-sediment interaction. This project aims at exploring the sediment trapping ability of the vegetation in floodplain areas. Theoretical analysis, physical model test, field observation, and numerical simulation are applied to study the flow turbulence, suspended sediment transport characteristics, and the effect of vegetation on suspended sediment movement in vertical direction. The vertical sediment distribution formula for saturated suspended sediment transport will be set up. The suspended sediment exchange law between the vegetation flats and the main channel, the calculating method of the sediment carrying capacity in vegetated river reach and the sediment transport rate that taking the vegetation influence into consideration are essentially needed to figure out, which will contribute to the revelation of function mechanism about the vegetation-caused turbulent structure to suspended sediment movement and the discipline of suspended sediment transport between flats and main channel in the ecological river. Therefore, the enriched river flow sediment theory can provide theoretical and technical support for runoff and sediment change prediction and ecological restoration engineering design, with great theoretical significance and wide application prospect.

滩地植被是河流生态系统的重要组成部分，植被影响着河流的水沙条件，通过直接和间接的方式影响着河流的物理和生态功能。植被-水流-泥沙三者之间的耦合作用是当前环境与生态水力学领域研究的热点和难点问题之一。本项目针对滩地植被区的滞沙效应问题，采用理论分析、模型实验、野外观测和数值模拟相结合的方法，研究不同类型植被影响下的水流紊动结构和悬沙垂向分布特征，分析涡旋结构与悬沙运动的关系，建立植被作用下饱和输沙含沙量垂线分布公式；认识植被化滩地与主河槽间之间水量和沙量交换规律，量化滩槽间水流剪切作用对悬移质泥沙沿横向运动的影响，提出滩地植被化河段的过流能力和水流挟沙能力计算公式。在此基础上，阐明不同类型植被影响下的水流时均和紊动结构对悬移质运动的作用机理，揭示滩地植被化河道的悬沙输移规律。本项目的研究为河流水沙变化趋势预测和生态修复工程设计提供理论支撑和技术依据，具有较高的理论意义和广泛的应用前景。

河漫滩湿地上的植被是河流生态系统的重要组成部分，植被影响着河流的水沙输移过程，通过直接或间接的方式影响着河流的物理和生态功能。植被-水流-泥沙三者之间的耦合作用是当前环境与生态水力学领域研究的热点和难点问题之一。本项目针对滩地植被区的滞沙效应问题，采用理论分析、模型试验、野外观测和数值模拟相结合的方法，研究不同类型植被影响下的漫滩湿地水动力结构和悬移质泥沙输移规律。.通过模型实验和数值模拟分析研究，发现滩地植被会增大植被区与无植被区之间的流速差，增强水体的紊动性和剪切作用，且其影响随植物密度增大而增强；在植被区和主槽内，紊动流态以扫掠为主，而在自由水层和岸坡区域内，紊动流态则以喷射为主；植被区与无植被区交界面主导涡旋能量和尺寸随植物密度增大分别呈现增大和减小的变化趋势；在植被影响下，漫滩水流的二次环流结构位置会发生改变，但是二次流强度随植物密度增大变化不明显。基于生态固滩工程原位监测研究发现，以植被植入为主体的生态固滩工程具有提升基质细颗粒占比、促进泥沙淤积和植被资源恢复等作用。.基于实测的悬沙浓度垂向扩散系数垂线分布规律分析结果，提出了沉水植被影响下悬移质泥沙垂向扩散系数垂线分布公式；分别基于扩散理论、重力理论和随机位移法，构建了沉水植被影响下悬移质泥沙浓度垂线分布模型；从SKM方法和悬移质泥沙对流扩散方程出发建立了具有统一形式的滩地挺水植被影响下复式断面深度平均流速和悬移质泥沙浓度横向分布计算模型；基于输沙率定义和能量观点推导了沉水植被影响下的挟沙水流悬移质泥沙挟沙力计算公式；基于能量平衡的观点，建立了滩地植被化复式河槽断面过流能力模型。经实测数据验证，本课题提出的公式或模型具有良好的精度和相关性。.综上，通过本课题研究，对滩地植被化河道的水流结构和悬沙输移规律有了较清晰的认识，可以为河流水沙变化趋势预测和生态修复工程设计提供理论支撑和技术依据，具有较高的理论意义和广泛的应用前景。