滩地刚性植物消浪作用特性研究

滩地植物有利于保障沿海地区的水安全,量化成熟期植物消浪作用是提升生态海岸韧性的基础。本文基于一般试验规律和两种波高消减模型,分析提出了新的滩地植物消浪系数计算方法,结合波高条件可计算林带消浪后波高,相关表达式由大量试验数据进行了验证,最后对比了由本文方法与规范方法计算的林带后波高。结果表明,阻尼因数及消浪系数能直观体现植物消浪作用特性,波浪传播方向上植物面积占横截面比例是影响植物消浪机理的关键无量纲参数。植物非淹没时,本文方法得到的林带后波高与规范方法接近;植物淹没时,本文方法能更准确描述植物消浪作用。相较于规范方法,本文方法考虑了植物淹没情况,直观揭示了林带密度、宽度、高度,植物平均直径,水深等参数的影响,适用于更多工况。基于植物消浪作用的模型可快速研判相关参数变化对植物消浪效果的影响,为生态海堤滩地刚性植物规划设计及数模研究提供科学和技术支撑。     

含植物水流动力特性研究进展

鉴于植物与水动力之间复杂的相互作用过程,从植物对水流的阻力作用、植物引起的紊动作用以及植物对波浪的消减作用三方面,综述了国内外含植物水流动力特性研究进展,总结了不同水动力条件下含植物河道Manning系数、拖曳力系数与植物特性之间的定量关系,讨论了植物引起的纵向流速垂向分布和紊动强度变化以及植物在海岸带波浪消减中起到的作用。针对目前含植物水流动力特性研究中存在的不足,指出植物拖曳力系数、含植物水流紊动特征、植物-水流-波浪耦合作用机理为今后研究的重点。     

规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

植物的消波特性能有效防止波浪冲刷所造成的岸线侵蚀。在开展根茎叶共同作用下的刚性植物消波实验的基础上,采用Kobayashi和Dalrymple经验公式计算本实验植物模型的拖曳力系数,探究了拖曳力系数变化规律。通过对比分析两种经验公式计算所得的拖曳力系数,发现采用Kobayashi消波模型对于本实验中刚性植物消波模拟效果更好。根茎叶均在不同程度上对于植物消波特性产生影响。拖曳力系数与邱卡数、雷诺数、厄塞尔数及相对水深之间的关系依赖于植物淹没度。针对包含根茎叶的刚性植物,考虑植物摆动因素,对波能耗散方程中阻力项进行修正,提出改进的消波模型。     

植物带影响下孤立波沿程波高衰减特性试验

鉴于近岸植被对孤立波的阻力效应能有效降低其波能,开展综合考虑根茎叶影响的植物带消波试验,探究植物带影响下孤立波沿程波高衰减特性。当孤立波非线性大于0.11时,茎作用下孤立波沿程波高衰减特性与指数函数以及幂函数规律并不一致。当淹没度为0.67时,根茎共同与茎单独作用下孤立波沿程波高衰减趋势基本一致。当淹没度小于0.67且孤立波非线性不小于0.30时,茎叶作用下孤立波沿程波高服从指数函数以及幂函数衰减规律。非淹没情况下,随着分布密度的减小,孤立波沿程波高衰减强度减小,植物带消波边界效应减弱。研究表明,相比根茎,叶对孤立波沿程波高衰减特性影响更大。根茎叶以及分布密度对孤立波沿程波高衰减特性的影响与淹没度和孤立波非线性有关。     

浮堤局部三维水流特性试验研究

浮堤相较于传统坝体,具有对河流泥沙输移影响较小、对来水来沙条件适应性较好、对原有河床及生态环境影响较小等优点,但对浮堤局部三维水流结构相关认识的严重缺乏制约了浮堤在河道治理中的应用。通过水槽试验研究浮堤局部三维水流特性及其几何尺寸对水流结构的影响。结果表明：（1）表面水流经过浮堤后向对岸偏转,浮堤下游产生回流,且回流处的垂向紊动强度与雷诺应力绝对值较大;（2）浮堤的挡水作用使过水断面面积减小,浮堤上游水流缓慢,而浮堤下方和右侧水流流速较大;（3）当浮堤淹没深度或长度增加时,浮堤下游回流的垂向或横向尺度相应增大,非接岸侧水体流速均明显增大;（4）当浮堤厚度增加时,水流结构呈非单调变化,表现为当浮堤厚度小于某一值时,浮堤厚度越大,回流横向尺度越大,超过该厚度后回流横向尺度减小。研究结果可为浮堤在河道整治工作中的推广应用提供参考。     

单株和簇状植物分布方式对消波的影响试验

在波浪水槽中规则波和不规则波水力条件下开展多组次物理模型试验,探究单株和簇状刚性植物分布方式对消波特性的影响。结果表明,单株-矩形分布植物带密度相同时,适当增加相邻植物间沿流向的距离,消波效果增强;对于单株-交错分布植物带,拖曳力系数随植物间距以及植物淹没度的增大而增大;对于簇状植物带,透射系数随单簇内植物株数的增加以及簇中心间距的减小而减小。在试验条件下得到了植物带消波效果与水动力因素和植物因素之间的拟合关系式,揭示了植物分布密度和分布排列结构对植物消波的影响。     

荆江河段生态护坡结构对近岸水流影响试验研究

为了选择固土能力强、结构稳定、生态影响小的护坡结构,以长江荆江段为例,通过护坡概化模型水槽试验,分析了不同生态护坡结构对近岸水流结构的影响。研究表明:钢丝网石笼和护坡砖本身对近岸水流流速影响较小,对结构下层的土体有较好的守护作用,但在没有辅助措施或植被覆盖的情况下,对表层土体缺乏有效的守护;植被护坡植物能减缓近岸流速、减弱水流对表层土壤的直接冲刷,但守护岸坡稳定性较差,下层土体易被掏刷。将硬质结构护岸与植被护岸相结合,可减弱表层土壤的流失并对岸坡下层土体进行有效守护。将生态型护坡结构运用到长江中游荆江河段航道整治工程中,现场应用效果较好。     

植物"柔性坝"对水流影响的试验研究

用生态措施治理水土流失是利用自然、改造自然的一种有效方法．通过室内水槽模型试验．探讨了植物“柔性坝”的布置方式、种植密度对河渠水流的影响．由试验得出，植物“柔性坝”可以起到阻缓水流、拦截泥沙的作用，并且植物“柔性坝”的种植密度和坝长不同，阻水作用亦不同．试验表明，坝长的阻水作用较坝的密度要大得多．在以多坝的形式布置时，两坝之间的水深、流速的大小与坝间距离有关．坝间的水深随着坝距的增大而减小，流速随着坝距的增大而增大．     

泥沙对挟沙水流流动结构影响的研究

应用MicroADV研究了不同粒径的泥沙颗粒在不同水力条件下对水流流动结构的影响。实验发现：挟沙水流流动结构的变化不仅与颗粒的大小密切相关，而且与水流流动条件有关，颗粒对水流结构的影响随着水力条件的变化而改变：在强水流条件下，不论粗、中、细泥沙都不改变主流区的流速分布及紊动强度；在中等强度水流条件下，粗、中、细三种颗粒的加入都使流速大于相同条件的清水水流，而其紊动强度则较清水水流低；在弱水流条件下，三种颗粒的加入都不改变水流的流速分布，但粗颗粒使水流紊动强度显著增大，而中、细颗粒基本不改变其紊动强度。     

非淹没刚性植被影响下孤立波在岸滩上的爬高

为探究海岸刚性植被对海啸波的削弱效应,通过物理模型试验和数值模拟研究了孤立波与不同坡度岸滩上非淹没刚性植被的相互作用问题。物理模型试验在波浪槽中进行,测试了不同的入射波波高、植被密度和岸滩坡度对孤立波爬高的影响,并运用物理模型试验数据校核改进后的Boussinesq方程,得到植被的拖曳力系数。结果表明:拖曳力系数随植被密度的增大而增大,随坡度增大而减小;植被后的无量纲透射波高和无量纲岸滩爬高随着无量纲的入射波高的增大而减小,随着植被密度的增大而减小;当岸滩坡度增大时,无量纲透射波高增大而无量纲爬高并无显著差异。最后根据回归分析得出了岸滩爬高与相对入射波高、植被密度和岸滩坡度的幂函数型经验关系式。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

河道含淹没刚性植物二维涡量场特性

含植物水流的涡量场构成了水生动物生境的物理基础,形成水、物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没刚性植物二维垂直涡量场的分布,得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素。植物顶层附近对水流的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没刚性植物顶层以下约30%处;植物顶层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物顶层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε 紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。     

Hydrodynamics of longitudinally discontinuous,vertically double layered and partially covered rigid vegetation patches in open channel flow

The aim of this paper is to numerically investigate how the flow structures are affected through a longitudinally discontinuous and vertically two‐layered vegetation occupying half width of the channel, with steady flow rate and subcritical conditions. A three‐dimensional (3‐D) Reynolds stress turbulence model (RSM), incorporated by Computational Fluid Dynamics (CFD) code FLUENT, was first validated with the experimental data, and then used for simulation purpose. The results showed that the flow stream‐wise velocities within the gap regions are visibly slower than that in the vegetation patch regions. Along the cross section, the velocity in the vegetation region (VR) reduced significantly due to resistance offered by the vegetation, which affected the channel conveyance; as compared to the free (non‐vegetated) region. The flow instability in the lateral direction was triggered by the flow shear due to the presence of partly distributed vegetation, resulting in the formation of coherent vortices and exchange of momentum at the interface. The discharge percentage passing through the free region (FR) was found to be 144–525% larger than that passing through the VR. The flow resistance increased significantly with higher vegetation density, whereas it decreased when both the vegetation layers were submerged. Moreover, the flow characteristics profiles in large gaps were more stable than in small gaps. The turbulent kinetic energy (TKE) and turbulence intensity also increased significantly through the patch regions compared to that of the gap regions. The results indicated that the flow structures and the flow resistance are strongly influenced by partial and discontinuous vegetation.     

挺水植被弯曲变形对水流阻力的影响研究

为研究挺水植被在水流作用下发生的弯曲变形对水流阻力影响,通过明渠水槽实验对不同水流条件下单株挺水植被的弯曲变形状态及其水流阻力进行了观测分析。研究结果表明,挺水植被从完全直立转变为挺水弯曲摇摆状态时,水流阻力随着植被弯曲变形程度加剧而增加;当植被由挺水状态转为淹没状态时,水流阻力显著降低;当植被处于弯曲摇摆的淹没状态时,水流阻力同样会随着植被弯曲变形程度的加剧而增加;但是,当植被的弯曲变形增加到使得植被处于完全倒伏时,水流阻力反而会减少。研究成果有助于平衡河流生态治理与汛期泄洪的关系。     

刚性淹没球冠状植被水流特性试验研究

本文将植被体型概化为由球状树冠和主干组成的树状植被,采用Micro ADV测量了树状植被影响下明渠水流的流速分布,分析了不同流量和水深条件下4组树状植被对明渠水流的影响,着重研究了树状刚性植被水流的平均流动和紊动结构,比较了多个典型位置处水流的纵向流速、垂向流速以及紊动强度。试验结果表明,水深越小,无量纲纵向流速越大;树冠的形状对水流特性的影响较大,在树状植被附近,纵向流速的垂向分布在树干层近似均匀分布,在树冠层先减小后增大,在无植被层符合对数分布;紊动强度在树冠层较大,在树干层和无植被层较小;通过象限分析,发现下扫作用主要在植被层起主导作用,喷射作用主要在自由水层占主导。     

沉水植被群落状态对水流阻力的影响

沉水植被在水流作用下状态会发生改变,进而会对河流生态系统产生一定影响。通过室内水槽模型实验观测了均匀流下沉水植被群落内部各植株的状态,并分析了沉水植被群落状态以及内部植株相对间距对植被群落水流阻力的影响。研究结果表明:在沉水植被群落内部,各个植株的相对刚度各不相同,并且其状态随来流条件变化而改变,对于不同种群的沉水植被群落,在相同水流条件下也可能呈现出不同的状态,当沉水植被群落的植被处于非直立状态时,随着植被从弯曲状态向直立状态转换,水流阻力也在不断增大;植被处于完全刚性状态时,阻力系数则与植被相对刚度无关,仅与水流条件有关,随着流速的增大而减小;沉水植被群落内部植被相对间距不同,其阻水效果也不同,在相同植被状态下,植被相对间距越大,也就是植被带越长,植被阻力越大。