淹没植物干预下泥沙垂向扩散规律及沉积模式研究

The settlement law of sediment particles is an important research topic in river dynamics, when the muddy water bed surface covered by the plant, the turbulence characteristics of flow changed significantly, sediment particles in the flow stress distribution and settlement regularity will change too. Research plant intervened sediment subsidence law, more is in still water and sediment concentration under the condition of low water obtained, considering the condition of high sand content in under the action of hydrodynamic research rarely, and the turbulent diffusion theory and silt sedimentation both traditional research system and hard to communication and integration. This topic proposed by experiment and theoretical analysis, the method of combining study of turbulence on the influence of plant water flow and sediment sinking speed, revealing the coherence in the sediment particles in turbulent flow process and the movement mechanism; to explore different sediment concentration (especially the high sediment concentration), sediment grain distribution plant flow turbulent structure under development process, dynamic water sedimentation law and sedimentation model; this revised dynamic water subsidence coefficient K, the perfect plant involved in water and sediment movement under the condition of heavy speed calculation method.Research is helpful to promote the cross development of sediment movement mechanics and environment science, to enrich the basic theory of sediment movement, the better for structure design of the channel, the riverbed evolution calculation, river ecological restoration and protection of water environment is.of great significance.

泥沙颗粒的沉降规律是河流动力学中的重要研究课题，当浑水流经有植物覆盖的床面时，水流的紊动特性发生显著变化，泥沙颗粒在水流中的受力情况和沉降规律也会发生变化。目前植物干预下泥沙沉降规律研究成果，多是在静水且水体泥沙浓度比较低的条件下取得的，考虑水动力作用下高含沙情况的研究很少，而分别突出微观个体的紊动扩散理论与宏观特性的泥沙淤积量这两种传统研究体系又难以有机沟通与融合。本课题拟采用实验和理论分析相结合的方法，研究紊动对含植物水流泥沙沉速的影响，揭示泥沙颗粒在紊动水流中的相干过程与运动机理；探讨不同含沙量（特别是高含沙量）、泥沙粒配下含植物水流紊动结构发展过程、动水沉降规律及其淤积模式；通过修正动水沉降系数K，完善植物介入条件下泥沙动水沉速计算方法。研究有利于促进泥沙运动力学与环境科学的交叉发展，对丰富泥沙运动基本理论，更好地进行渠道设计、河床演变计算、河道生态修复及水环境保护具有重要意义。

采用以水槽实验为主、结合理论研究和实测资料分析等手段，在系统总结以往相关研究的基础上，通过紊动对泥沙沉速影响实验模拟，探讨含淹没植物水流泥沙垂向紊动扩散规律；通过水槽实验，研究含沙量、泥沙粒配对含淹没植物水流泥沙沉降及淤积的影响；利用实验成果及理论分析，率定水流紊动强度因素，修正动水沉降系数K，完善植物介入条件下泥沙动水沉速计算方法。结果表明：.（1）植被的存在明显影响了水流流速及其紊动特性，植被对水流的阻滞作用大于底层切应力，改变了流速垂向分布结构。流速受刚性植被存在的影响，不再呈半对数分布，而是划分为三个区域，分别是：植被层底部区域（h<0.8hv），植被层顶部区域（0.8hv<h<1.5hv）和植被层上部水流区域（h>1.5hv）。在h<0.8hv区域内流速缓慢增大，至0.8hv<h<1.5hv区域流速呈线性增长，且增速较快，在h>1.5hv区域内流速呈对数分布。.（2）对于同一种植被特性，布置密度不同时流速分区相同，但随着植被密度的减小，h>1.5hv区域内水流流速受植被的影响范围越小；.（3）相同淹没度时，刚性植被不同布置形式的糙率不同，糙率值随着植被密度的增大而增大；同等淹没度增量时，糙率值的减小值随淹没度的增大而减小；相同布置形式，在淹没度H/hv<3.0时，含刚性植被时的糙率比含柔性植被时大，当淹没度H/hv≥3.0时，则相反；糙率值与淹没度呈幂函数分布：n=C(H⁄h_v )^m。.（4）挟沙水流含细沙且含沙量小时，近水槽底部的含沙量稍大，淹没度H/hv<3.0，植被作用下垂线含沙量随距水槽底部距离的增加缓慢减小，与无植被 时基本一致；淹没度H/hv≥3.0时，植被层内垂线含沙量明显随距槽底距离的增加而减小，植被层上部垂线含沙量缓慢减小，符合Rouse公式。.（5）通过试验和对现有群体沉速公式的分析，建议采用 作为混合沙代表沉速的计算公式。对于干扰群体沉降和絮网沉降，公式形式相同，只是需由试验确定的待定系数k 、 值不同。在小于临界浓度的沉降中的 值是单个絮团在清水中的沉速。