植物对弯道水流结构及推移质运动的影响研究

由于弯道形态的影响，弯道中存在横向环流，这使得弯道水沙运动特性与顺直河道的特性截然不同；而植被作用下的弯道，由于植物的影响，其水流结构、泥沙输移及河床演变特性更为复杂，为河道水力学的前沿课题之一。本课题以流体力学、河流泥沙动力学、河床演变学为基础，研究植被作用下的弯道水流紊动结构、流量预测、河床阻力、能量和动量的损失机理、泥沙起动及输移规律、弯道环流对床沙颗粒纵向及横向分选的影响和弯道环流对床面稳定性的影响等，以及这些因素彼此之间的内在联系，探讨植被作用下的弯道河床演变特性和过流能力的预测方法。通过模型试验、原型观测与资料分析，探索物理力学模式，探讨植被作用下的弯道水流阻力的合成与分解，提出植被作用下的弯道泥沙起动、泥沙输移、河床演变和过流能力的计算方法，建立植被作用下的弯曲河道水沙复杂行为的物理图形，为该类河道的防洪减灾、河道整治、取水防沙、河流生态修复等提供理论与技术支持。

由于弯道形态的影响，弯道中存在横向环流，这使得弯道水沙运动特性与顺直河道的特性截然不同；而植被作用下的弯道，由于植物的影响，其水流结构、泥沙输移及河床演变特性更为复杂，为河道水力学的前沿课题之一。本课题以流体力学、河流泥沙动力学、河床演变学为基础，通过模型试验、原型观测与资料分析，弯道水沙运动基本规律研究,取得以下主要研究成果:.（1）弯道水流运动特性研究研究。分析了弯道水流运动的变化特征，以及床面形态沿程变化对水面横比降、水动力轴线、断面环流强度的影响；分析弯道水流垂线流速分布特性..（2）弯道泥沙分选特性研究。分析了分选系数对冲淤特征的敏感程度，获得了弯道的分选系数代表粒径组合关系；讨论了分选系数沿程变化及其与沿程地形、床沙中值粒径之间的关系；分析了分选系数与断面形态、纵剖面形态和床面切应力的关系。.（3）弯道河床稳定特征研究。基于水槽实验资料，提出了弯道横断面形态的计算方法，并给出了计算方法中的经验系数的通用表达式。.（4）植被作用下的弯道水流模型研究。在动量方程中加入植被引起的拖曳力，并考虑弯曲主槽和二次流的影响，采用三种不同的紊流扩散项积分方法，得到了三种计算模型，运用弯道试验资料对模型进行验证。通过比较分析不同模型的计算误差，得到了计算结果最优的模型。.(5)边界条件对河道流速及床面剪切力的影响研究。在水深平均动量方程中加入了植被引起的拖曳力，给出了流速及床面切应力的二维解析解。根据滩地植被化矩形复式河槽的断面形态特点，提出了两种边界条件。比较这两种边界条件后发现考虑了主槽边壁切应力影响的边界条件可以给出更好的计算成果。.上述研究成果可为该类河道的防洪减灾、河道整治、取水防沙、河流生态修复等提供理论与技术支持。