复式河槽水流特性：植被对流动的作用

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：不同的植物对水流的阻力是不同的，总体而言，草对水流的阻力最大。由于复式河槽存在横向动量交换，总体而言，纵向与横向基本上相当，垂向最小。

9.3.2.1　植被作用下的复式河槽流速分布

杨克君等(2006)通过系列实验探讨了不同滩地植物(乔木、灌木和野草)对复式河槽流速分布的影响。同时，也考虑了流量，床面底坡对流速分布的影响。其成果要点为:

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图9-17　相对水深与主槽阻力系数f4、f4与f4(0.25)的比值及滩槽平均阻力系数之比的变化关系

(a)主槽阻力系数f 4 随相对水深的变化;(b)f 4 与f 4(0.25)的比值随相对水深的变化;(c)滩槽平均阻力系数之比随相对水深的变化

(1)滩地未种树的复式河槽在大的相对水深时，流速满足对数分布，这种对数分布可以用断面平均流速VA和相对高度Hr来描述，即

式中:U 为时均流速。

对于不同流量和断面的不同位置，公式中的系数C 和D 分别趋于某一常数。

(2)在滩地种树后，主槽流速分布特性复杂，而滩地流速呈S形，如图9-18所示。这种S形分布将水流划分为三区的复杂行为，每区的范围与水深，垂线位置和植物类型有关。但不同植物的S形分布是有差异的。通过比较发现，滩地种树后，主槽流速均明显增大而滩地明显减小。不同的植物对水流的阻力是不同的，总体而言，草对水流的阻力最大。滩地种树后，滩槽交界面表观剪切应力增大。

(3)随着床面底坡的减小，水流中同一点的流速减小。对三类植物，乔木流速减小得最为明显。尽管床面底不同，但流速分布是相似的，即流速满足S形分布。与此同时，可以很明显看出流速分布受两个边界层的影响，即床面和植物底顶端。不同的植物顶端位于水流复杂行为的不同区域，草和乔木的顶端位于水流第三区，而灌木顶端则位于二区与三区的分界处。

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图9-18　滩槽交界面流速垂线分布

(a)乔木;(b)灌木;(c)草(https://www.chuimin.cn)

(4)等流速图表明，滩地种植植物后，主槽流速增大，滩地流速减小。在滩槽界面附近，流速横向梯度变化明显。因此，动量交换增强。而且，不同植物对滩地流速影响也特别明显。

9.3.2.2　紊动强度及雷诺应力分析

用ADV 测三维流速时，每个点测30s，采样频率为50 Hz。根据实测流速资料，分析了紊动强度的垂线分布及雷诺应力的空间分布。其成果要点为(Yang et al.，2006):

(1)滩地没有植物的复式河槽，紊动强度先随水深的增加而增强，其后随水深的增加而减弱。当滩地种植植物后，紊动强度随水深基本上呈S形分布，如图9-19所示。但不同滩地植物的S形分布是有差异的。纵向 (x)、横向 (y)和垂向 (z)紊动强度不同。由于复式河槽存在横向动量交换，总体而言，纵向与横向基本上相当，垂向最小。

(2)由于滩槽流速的差异，滩槽交互区存在剪切层。滩地种植植物前后雷诺应力的空间分布差异很大，不同的滩地植物对雷诺应力的空间分布十分明显。滩地种树后，主槽雷诺应力τyx的垂向梯度近似为0，雷诺应力τzx的垂向梯度在近壁水流区变化大，而在其他位置也近似为0。而滩地，由于受第一、第二边界层的影响，两边界层间的横向与垂向的雷诺应力近似为0。而在主槽边坡区，雷诺应力的变化复杂。由于受植物的影响，τyx与τzx基本上都为负，明显不同于滩地未种植植物的情况。这种明显差异在滩槽交界面都为明显。

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图9-19　紊动强度的垂向分布(Q=17.72 l/s，S0=1.25‰)

(a)y=8cm;(b)y=17cm

9.3.2.3　漫滩水流紊动的随机特性分析

杨克君等(2005a)通过水槽实验探讨了不同滩地植物作用下的漫滩水流紊动的随机性。试验时，选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草。试验结果表明，纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本上满足正态分布;时均流速与采样时间的长短有关;横向动量交换比垂向动量交换强，横向动量基本上是主槽向滩地传递;不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响是不同的。滩地种植植物后，水流的紊动强度增强，纵向和垂向的紊动强度相当，都服从S形分布。其结果要点为:

(1)水流的脉动具有极强的随机性和周期性。滩地植物影响水流的脉动，滩地种树后水流的脉动增强。不同的滩地植物对水流脉动的影响是不同的。不同位置的脉动强度也是不同的，总体而言，滩槽交界面上的水流脉动是最强的。

(2)纵向、横向和垂向三个方向的脉动流速基本上满足正态分布。当脉动流速趋于0时，实测值偏离正态分布。

(3)横向动量交换比垂向动量交换强。横向动量基本上是主槽向滩地传递。不同情况下的水流在同一位置的动量交换是不同的。

(4)不同的滩地植物对水流的紊动强度的影响是不同的。滩地种植植物后，水流的紊动强度增强，纵向和横向的紊动强度相当。纵向和横向的紊动强度服从S形分布。

复式河槽水流特性：植被对流动的作用

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