河流生态系统中柔性淹没植物对水流垂向结构和底床泥沙沉积的影响机理实验研究

河流生态系统中淹没植物的柔性变化特性对水流垂向结构和底床泥沙沉积有重要影响，本课题拟开展系统的室内矩形水槽试验，具体为：(1)在定床试验中观测柔性植物冠层弯曲高度、波动周期和振幅，定量分析它们与植物自身特征参数、水力要素以及水力学参数之间的相关关系；(2)综合分析淹没植物冠层柔性变化特征对水流垂向结构的影响，提出冠层外区流速垂线分布修正公式的确定方法，阐明水流结构的垂向变化规律；(3)在动床试验中监测悬浮泥沙浓度变化过程，判别底床泥沙再悬浮临界状态，观测底床泥沙冲淤形态变化过程，定量分析植物柔性变化特征参数、水流特征参数以及泥沙特征参数对上述变化过程的影响，确定底床泥沙再悬浮临界条件判别式，提出水流中悬浮泥沙沉降速率以及底床泥沙沉积率的预测方法。课题充分考虑植物的柔性变化特征，研究思路具有理论创新意义，定量得出的关于流速分布和泥沙沉积的结论对河流水生植物生态修复工程实践具有重要指导价值。

河流生态系统中的淹没水生植物通过其柔性弯曲和波动干预水流动力结构、改善泥沙条件、促进污染物沉积，提高其作为水生动物栖息地、食物源等必要生命依存条件的质量，从而使河流整体生态环境及其健康生命得以自我维护、改善和发展。本课题重点研究淹没水生植物的柔性变化特性对水流垂向结构和底床泥沙沉积的影响，旨在为河流的生态修复和治理提供理论依据。. 课题基于系统的室内矩形水槽试验，得出了柔性淹没水生植物的弯曲和波动规律及其影响因素，分析了植物的柔性特征对水流流速垂向分布及底床泥沙沉积过程的影响机理，并采用野外河流实测数据对这些结论进行了合理性和可靠性验证。室内水槽试验内容及主要结论为：(1) 在定床水流试验中对柔性淹没水生植物冠层的弯曲高度、波动周期、振幅和传播速度进行系统的观测和分析。结果表明，冠层整体弯曲高度主要受植物刚度和水流流速影响，它与植物刚度负相关，与水流流速正相关。植物冠层的波动周期主要由植物杆茎的自振频率决定，振幅主要受水流拖曳力影响，其传播速度与冠层顶部水流的紊动大涡传播速度正相关。 (2) 水流在垂向3区受植物冠层柔性变化的影响程度不同，其中冠层内区和外区水流时均流速和紊动强度受冠层波动影响较小，冠层-水流交界区水流时均流速的分布形态和紊动强度均受冠层波动直接影响。冠层外区的对数流速分布公式的修正系数主要与冠层的弯曲高度、波动周期和幅度有关。 (3) 在动床试验中监测悬浮泥沙浓度变化和底床泥沙冲淤形态变化过程。分析得出底床泥沙沉积、悬浮和再悬浮过程与冠层波动直接相关，在此基础上提出了底床泥沙再悬浮临界条件判别式，水流中悬浮泥沙沉降速率以及底床泥沙沉积率的预测方法。. 上述研究充分考虑植物的柔性变化特征，研究思路具有创新意义，定量得出的关于柔性淹没水生植物波动特征、水流流速分布和泥沙沉积的结论对生态河流水动力学研究具有基础理论意义，对水生植物河流生态修复实践具有重要工程指导价值。