植物糙率不确定性特征及其对水流泥沙运动的影响

天然河流中植物存在形成了特殊的水沙运动边界条件，植物对泥沙运动和河流水力环境有重要的影响，河流、湖泊的生态修复、管理和整治等与之密切相关。本项目采用实验研究、理论分析和计算相结合的方法进行研究。考虑水流、泥沙、植物各因素的不确定性，分析水流-泥沙-植物相互作用的力学机理。在室内水槽中进行含植物河流的水流泥沙运动的模型实验，测量流量、水位、悬沙浓度、流场等，探讨含植物河流的水流结构和紊动特性、泥沙运动特性等，分析植物对于泥沙推移运动、悬移质泥沙时－空分布情况等的影响，探讨植物随机特性对泥沙运动的影响。结合实验研究和理论分析成果，引入不确定性理论，确定各参数的概率分布函数及参数取值，建立含植物河流糙率计算模型，探讨植物特征对泥沙运动影响的动力机制，对含植物河流泥沙运动进行深入分析研究，为河流生态修复和治理提供理论指导。

植物的存在对明渠水流运动产生重要影响，河流、湖泊的生态修复、管理和整治等与之密切相关。在天然渠道进行原型观测，通过对两条渠道的非淹没植物和淹没植物的原型观测，分析了存在真实植物的水流运动特性。针对真实植物、圆棒、仿真植物、PVC薄片等材料，在变坡水槽中进行试验，探讨了水流-植物相互作用的力学机理。对于模拟植物，分析了不同宽高比、植物不同排列情况下的流速分布、紊动强度、雷诺应力等。对弯道而言，探讨了植物不同排列情况下水流结构的变化情况。对于明渠中放置有塑料圆棒或塑料仿真植物的水流结构进行了试验研究，与真实植物情况下的水流结构进行了比较。分析了植物非淹没状态和淹没状态下，明渠水流沿三个维度的流速分布特征、紊动结构沿水深的分布特征等。考虑到有植物明渠的流速分布和无植物情况下的差别，提出了适用于有植物情况下的包含尾流偏离项的对数流速分布，并利用试验资料拟合了经验公式。提出了等效当量植物附加湿周的概念，新的床面阻力则由植物附加湿周与原床面湿周共同产生，即水流所受的阻力由河床阻力、河岸阻力以及植物附加湿周面阻力三部分组成。结合实验研究和理论分析成果，引入不确定性理论，确定各参数的概率分布函数及参数取值，应用蒙特卡洛方法建立含植物河流糙率计算模型，可以计算不同累积频率的糙率值。研究成果提高了植物糙率不确定性的认识，可为河流生态修复和治理提供理论参考。