含淹没植物斑块明渠非均匀流水动力特性研究

The submerged vegetation patches (VPs) play an important role in aquatic ecosystems of wetlands and have attacted extensive attention worldwide. Due to the practical problems existed in the wetlands and the inadequate of the basic theory, the present project aims to experimentally and numerically investigate the hydrodynamics characteristics of nonuniform open-channel flow with submerged VPs. Laboratory experiments will be firstly performed to investigate the effect of patch length, density and stiffness on the momentum and energy transfer along the streamwise direction, and reveal the functions of submerged VPs on the sediment deposit and pollutant transportation from a hydrodynamic perspective. A three-dimensional numerical model will be developed and validated to accurately simulate the evolution of the velocity and momentum along VPs in nonuniform open-channel flow. Numerical simulations of nonuniform open-channel flow with multiple submerged VPs at various intervals will be subsequently applied to classify the flow regimes in gaps within VPs, and to determine the parameter space in which those flow regiems are most consistently delineated. The other purpose of the numerical simulations is to explore the additive effect of the combination of multiple VPs on the flow field around the VPs. The study contributes to a better comprehensive knowledge about the effect of VPs on the velocity distribution, momentum and energy transfer in open-channel flows, and provides theoretical basis and technical support for the protection and restoration of wetlands.

淹没植物斑块在河湖湿地水生生态系统中发挥着重要作用，在国内外受到广泛关注。本项目拟针对目前河湖湿地中存在的实际问题和基础理论研究不足的现状，采用物理模型实验和数值模拟研究相结合的方法，揭示含淹没植物斑块明渠非均匀流的水动力特性。通过实验观测探究植物斑块的长度、密度和刚度对明渠水流内部动量和能量沿流向传播的影响，从水动力学角度揭示淹没植物斑块在沉积物浮沉和污染物输移方面所起的作用；建立并率定能准确模拟含淹没植物斑块明渠非均匀流中速度和动量演化的三维数值模型；对含不同间距的多个淹没植物斑块组合的明渠非均匀流进行数值模拟研究，对斑块间隙间的水流流态进行分类，确定斑块间的特征距离，并探索不同植物斑块组合对其周围流场的叠加作用。本研究可更深入、全面地认识淹没植物斑块对明渠水流内部流速分布，动量和能量传播方面的影响，为河湖湿地的保护与修护提供理论依据和技术支持。

植物斑块广泛地存在于河流、湖泊等湿地系统中，并在河湖湿地水生生态系统中发挥着重要的作用。本项目针对目前河湖湿地中存在的实际问题和基础理论研究不足的现状，采用物理模型实验和数值模拟研究相结合的方法，揭示含淹没植物斑块明渠非均匀流的水动力特性。通过对含有限长度半刚性植物斑块明渠非均匀流的实验测量，分析得到了在特定工况下植物斑块内部流速剖面和紊动特性的演变情况。测量结果显示，植物斑块内部存在一个入侵区域，区域内的最大雷诺应力仍发生在水槽底部。因为斑块内部的雷诺应力需要一个较长的距离来达到空间稳定状态，因此速度剖面在植物斑块的下游部分保持沿程恒定。植物斑块的密度越大，导致斑块内部调整区域的长度越短，紊流强度越大。本次实验测量中采用的植被密度允许水流通过，并且使得植物斑块内部的雷诺应力和紊动能量在斑块下游段达到最大值。随后我们建立了三维雷诺时均方程模型来模拟水流在植物斑块内部平均流特性和紊动特性的演变情况。在数值模拟研究中，开发了一种基于Spalart-Allmaras（S-A）紊流模型的改进模型，通过比较发现这种改进的S-A模型在模拟含植物斑块明渠非均匀流时有更好的表现。数值模拟结果能真实反映出斑块内部的平均流特性和紊动特性的演变情况，并与实测数据吻合较好。利用率定得到的数值模型，对多种工况进行模拟研究，发现斑块内部调整段长度与水深和时均流速成正比，与摩阻流速和最大剪切应力成反比。通过对数值模拟结果的进一步总结和概化，得到了针对平均流速和雷诺应力的调整段长度的经验公式。研究成果被成功应用于含多个植物斑块河道中水流的模拟。通过对复杂河道环境下跨河桥梁工程的壅水分析计算，归纳总结出多个植物斑块对其周围流场的叠加规律，以及多个植物斑块对桥址处壅水高度的影响。对特定工况下植物斑块间的流态进行了描述。对不同来流工况下，植物斑块间可能出现的水流流态进行了分类。