植物特性對(duì)復(fù)式河槽流速分布影響的實(shí)驗(yàn)研究.docxVIP

1、第29卷第3期2010年6月重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JOURNALOFCHONCQINGJIAOTONGUNIVERSITYNATURALSCIENCE)植物特性對(duì)復(fù)式河槽流速分布影響的實(shí)驗(yàn)研究羅憲I,房春艷九單與玉淇，劉超4（1.重慶交通大學(xué)信息科學(xué)工程學(xué)院，重慶400074；2.敢慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074）（3.四川大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，四川成都600065；4四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都600065）摘要:通過水槽試驗(yàn)，探討了不同灘地植被密度、植被高度對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響。試驗(yàn)時(shí)，借助聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（ADV）觀測(cè)不同垂線、不同測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)流速.選竹簽?zāi)M喬木。試驗(yàn)結(jié)果表明

2、，在灘地?zé)o植被情況下，流速分布滿足對(duì)數(shù)分布;灘地種樹后，主槽流速明顯增大，灘地流速減小,流速呈S型分布，不同植物密度,S型的分布是不同的。這種S型分布將水流劃分為3個(gè)區(qū)的復(fù)雜行為,S型分布的形狀與水深、垂線位置和植物特性（植被高度,植被密度）有關(guān)。植被密度對(duì)流速分布的影響非常明顯。關(guān)鍵詞：夏式河道;流速分布;植被琉密度;植被高度中國分類號(hào):TV133文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-0696（2010）03-0466-04InfluenceofVegetationCharacteristicsonVelocityDistributionofCompoundChannelLUOXian,FANG

3、Chun-yan2,SHANYu-qi3,LIUChao4(1.SchoolofInformation&SciencesEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China；SchoolofKiver&OceanEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China；2. SchoolofMathematics,SichuanUniversity,Chengdu600065,Sichuan,China；3. SchoolofHydraulics&WaterP

4、owerEngineering,SichuanUniversity,Chengdu600065,Sichuan,China)Abstract:Theinfluenceofvegetationdensityandvegetationheightatdifferentbeachesonthevelocitydistributionincompoundchannelsisdiscussedthroughtheflumeexperiment.ADVisusedtomeasuretheinstantaneousvelocityatdifferentverticallineanddifferentmeas

5、uringpoints；andbamboosticksarcchoseninsteadofarborestoparticipateinthesimulation.Theexperimentresultsindicatethatthevelocitydistributionfollowsalogarithmicdistributionfornon-vegetatedfloodplain,andobeyS-shapeddistributionforvegetatedfloodplain.TheS-shapeddistributiondividestheflowintothreeregions.Th

6、erangeofeveryregionisrelatedtotheflowdepth,laterallocationandvegetationcharacteristics,suchasvegetationdensityandheight.Fordifferentdensityofvegetation,theS-shapeddistributionisdifferent.Meanwhile,itisfoundthatthevelocityinthemainchannelincreasesandthatinthefloodplaindecreasesafterthefloodplainisveg

7、etated.Furthermore,theinfluencesofvegetationdensityonlocalvelocitydistributionaredistinctiveforthesametypesofvegetation.Keywords:compoundchannel；velocitydistribution；vegetationdensity；vegetationheight收稿日期：20100129；修訂日期：2010-02-26基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50679048）；四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2007-06）作者簡(jiǎn)介：

8、羅憲（】960），男，重慶長壽人，副教授,主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、水文學(xué)及水資源。E-mail：fcyasl983。復(fù)式河槽水流特性在防洪工程、水資源綜合利用、河道整治工程等方面具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。實(shí)際上天然河道中，大多數(shù)都是具有深槽和灘地的復(fù)式河道，由于在岸灘長期不過流，經(jīng)常會(huì)長有植被，如喬木、灌木、雜草等。當(dāng)水流漫灘后，因?yàn)┎哿魉俨煌?，不同流速的流層之間要產(chǎn)生動(dòng)量交換。交換的結(jié)果，主槽水流因受流速較慢的灘地水流的制約而損失部分動(dòng)最，流速要降低，灘地水流因得到從主槽中傳遞來的動(dòng)量而流速要增加，沿橫斷面方向的流速產(chǎn)生重新分布c這使得復(fù)式河槽水流結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,加大水流阻力.減少過流能力。因此，有

9、必要了解植物對(duì)水流特性的影響作用。國外許多學(xué)者已對(duì)復(fù)式河槽水流特性在此做了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。Knight&Demetriou等試驗(yàn)研究了復(fù)式河槽的水力學(xué)特性。Knight&Shiono等發(fā)現(xiàn)灘槽交界面存在強(qiáng)烈地動(dòng)量交換。Thornton等通過試驗(yàn)最化了主槽與植被灘地交界面上的表面剪切應(yīng)力大小，認(rèn)為表面剪切應(yīng)力是灘槽脈動(dòng)流速的函數(shù)。Caming等通過分析英國RiverSevern的實(shí)測(cè)資料，分析了天然復(fù)式河槽流速分布。Darby&Thome等刃分析了灘地植物對(duì)水流阻力及過流能力的影響。對(duì)于植被本身的特性(高度，密度，柔韌度)對(duì)水流流速分布的影響是如何呢，這方面研究很少，為此，筆者通過水槽

10、試驗(yàn)分析了非淹沒狀態(tài)下，剛性植物的疏密度和高度對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響研究。1試驗(yàn)概況本試驗(yàn)是在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的變坡水槽中進(jìn)行的。試驗(yàn)水槽長50m、寬1.0m.0.6mo槽首設(shè)有進(jìn)水閥門，可對(duì)來水流量進(jìn)行控制，尾部為調(diào)節(jié)水位的控制閘門。試驗(yàn)所采用的將復(fù)式河道斷面概化為軸對(duì)稱的梯形斷面,模型斷面取其50%,其床面用水泥抹平，河道底坡為1.25所。具體布置見圖10圖1有植被復(fù)式斷面形狀示意圖Fig.1Theillustrationofcompoundchannelswithvegetation試驗(yàn)中，采用ADV(多普勒聲學(xué)測(cè)速儀)測(cè)量流速，用探針測(cè)最水深變化。植樹帶

11、首距槽首17.4m。量測(cè)之前，每個(gè)斷面布置了10條垂線，每條垂線V方向坐標(biāo)依次為15,25,30,35,40,50,60,70,80和90cm(圖2)圖2復(fù)式河槽斷面形態(tài)Fig.2Crosssectionofcompoundchannels試驗(yàn)中，為突出植被的影響，試驗(yàn)以植株參數(shù)的變化對(duì)水流特性的影響為主要研究對(duì)象，以剛性竹簽?zāi)M灘地植被,忽略植被枝葉對(duì)水流的影響，其直徑為0.6cm,全長35cm；模型植物是以固定間度距平行“種植”，且沒有固結(jié)在河槽上，方便地插上或拔下，隨時(shí)調(diào)整模型植物的種植疏密度和高度(圖3)；其中植物疏密度通常情況下用單位面積植物所占床面的面積。本文為方便研究，采用植物棵

12、數(shù)來表示植被疏密度。模型植物帶長度試為5.2m,試驗(yàn)方案見表1。圖3復(fù)式河槽灘地植被裁種孔Fig.3Vegetationplantingholesofcompoundchannels表1灘地植被及對(duì)應(yīng)水流條件Tab.1Floodplainvegetationandcorrespondingflowconditions方案河道底坡/取流fit/主槽水深/cm灘地水深/cm模植物植被密度/(株m-2)植被高度/cmNRuMH1.25732010-VIRun021.25732010竹簽2518V3Run031.25732010竹簽5018V4Run041.2573201()竹簽20018Kun051

13、.25732010竹簽2512峭Run061.25732010竹簽5012VIRun071.25732010竹簽200】22試驗(yàn)分析對(duì)于充分發(fā)展的二維均勻紊流,垂線流速分布可以采用如下方程表示：(1)式中：u*(3)u+w.兀；*=V則JL=in性+Cu,kv沿水深方向積分可得，義=ln父史+C(4)u,kv式中W為測(cè)點(diǎn)流速；奴為局部摩阻流速;為垂線平均流速;A為卡門常數(shù);Z,為測(cè)點(diǎn)到床面的距離；P為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。令叭=Q(y)匕，式(3)變?yōu)椋撼?普W式中部3)為位于y處測(cè)點(diǎn)的局部水深。令C=a(y)/kD=a(y)+比。(乎二/(*)+Q(y)C式(5)變?yōu)椋?5)(6)g=Cln(y/)

14、+D式中：71=頁切，為相對(duì)高度。主槽區(qū)：叩=方；主槽邊坡區(qū)：=;灘地區(qū)：7?因此，式(7)和式(3)是等價(jià)的。如果灘地沒有植物，其流速滿足對(duì)數(shù)分布。對(duì)于斷面不同位置，系數(shù)C和D近似為某一常數(shù)59】。2.1水面線圖4反映不同密度下，主槽、灘地的水面線情況。主槽無植被25棵50棵/m.200棵/m一灘地”456789(b)溥地x，m圖4不同蘑度下的水面線(S=1.25%e,Q=73Ls,=20cm)Fig.4Watersurfacelineswithdifferentdensities(So=1.25知,。=73L/s,/=20cm)從圖4中可以看出，灘地種有植被后，主槽水位略有升高，但灘地水位

15、變化較明顯，密度越大，水位升高越多。2.2植被疏密度對(duì)流速分布影響圖5、圖6反映了灘地植物疏密度情況下，不同位置垂線平均流速及流速分布的影響。這里選用了流量Q=73L/so圖6分析流速分布時(shí)，采用無量綱數(shù)，即相對(duì)流速和相對(duì)高度，圖中U為測(cè)點(diǎn)流速,VA為斷面平均流速，77為相對(duì)高度。在這些圖中,考慮了4個(gè)不同的位置，即y=15,30,35cm和70cm,也就是主槽中心、主槽邊坡起點(diǎn)、灘槽交界處、灘地中心附近。從圖5、圖6中可以看出，復(fù)式河槽灘地?zé)o植被時(shí)，主槽、灘地及灘槽交界處垂線流速均自床面沿垂線均逐漸增大，流速值在水表面達(dá)到最大，整個(gè)床面流速趨勢(shì)沒有明顯變化,流速均滿足對(duì)數(shù)分布，主槽流速大于灘

16、地流速。對(duì)于剛性植物，復(fù)式河槽整個(gè)床面流速分布基本不滿足對(duì)數(shù)分布c在灘地有植被后，發(fā)現(xiàn)這種分布將水流分為3個(gè)區(qū)域，主槽區(qū)流速明顯增大，由于灘槽受交互區(qū)水流影響較小，流速分布近似于對(duì)數(shù)分布;離灘槽交互區(qū)越近，受其影響越大，流速分布越趨近于S型。灘地區(qū)，隨著密度的增大，灘地流速明顯減小，水流阻力有所增加，過流能力減小，其流速服從S型分布較為明顯。灘地速流減小程度實(shí)際反映植物疏密度對(duì)水流阻力大小。圖6也反映出不同的區(qū)域，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置不相同。灘槽交互區(qū)，在可=0.15處附近，流速變化明顯，出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。而灘地區(qū)，在7?=0.08附近，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。不同灘地密度流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置不相同。總體而

17、言，密度越大，流速變化越明顯,S型分布越顯著。80706050403020as圖5不同密度下的垂線平均流速LOO(So=1.25%e,Q=731780=20cm)Fig.5Averagevelocityofverticallineswithdifferentdensities(So=1.25%c,Q=73L/s,H=20cm)(c)j-=35cmU/VA(d)y=70cmU/VAcm=12cm06080UKcm-f)20)64020406080(b)植物密度：25株/m，20(a)植物密度：200株/m，.=12cm尸18cm圖6不同位置垂線流速分布(So=1.25務(wù),。=73L/s,=20c

18、m)Fig.6Velocitydistributionofverticallinesatdifferentlocations(So=1.25%e,Q=73L/,/=20cm)2.3植物高度對(duì)流速分布的影響圖7反映出了不同植被高度對(duì)灘槽交界面處垂線流速分布的影響。這里考慮了兩個(gè)植被高度，即Hv=18cm和/r=12cm；以及流量;Q=731/s,采用常用坐標(biāo)。圖中為測(cè)點(diǎn)流速,Z,為測(cè)點(diǎn)的水深。2016圖7灘槽交界面流速垂線分布(So=1.25務(wù).Q=73iyS,/=20cm)Fig.7Verticaldistributionofvelocityattheintersectionofchannel

19、s(So二1.25務(wù)，Q=73=20cm)從圖7中可以看出，流速分布仍呈S型趨勢(shì)，植被高度小,灘地流速相對(duì)較大。同一植被高度，密度越大，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置越格近床面。對(duì)于同種植被密度而言,不同植被高度，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置也是不相同。圖7(a)中看出,/=18cm,在冬=2.15cm處附近，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而乩=12cm,在Zp=3cm處附近，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。植被高度大，流速出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置越靠近床面。3結(jié)論通過灘地有無植被的復(fù)式河槽水流結(jié)構(gòu)的水流試驗(yàn)，可以獲得：1) 在相對(duì)水深較大時(shí)，在灘地?zé)o植被情況下,其整個(gè)斷面垂線流速分布滿足對(duì)數(shù)分布。2) 在灘地種樹后，主槽流速分布仍呈對(duì)數(shù)分布，而灘

20、地流速呈S型分布。這種S型分布的形狀與水深、垂線位置和植物密度有關(guān)。通過比較發(fā)現(xiàn),灘地種樹后，主槽流速均明顯增大，而灘地明顯減小，增加或減小的程度與植被的密度和水深有關(guān)，灘地流速減小程度實(shí)際反映植物密度對(duì)水流阻力大小。同種植物，不同的密度對(duì)水流的阻力是不同的?？傮w而言,植被密度越大，對(duì)流速分布影響越顯著，對(duì)水流的阻力影響越大。參考文獻(xiàn)：:1JKnightDW,DemetriouJD.FloodplainandmaincharnelflowinteractionJ.JournalofHydraulicsEngineering,1983,109(8):1073-1092.2KnightDW,ShionoK.TurbulencemeasurementsinashearlayerregionofacompoundchannelLJ.JournalofHydraul