植被化河道环境水力学

第1章 绪论 河道中的植物多种多样（图1.1），以往的研究根据其形态特征将水生及岸生植被分为刚性植被与柔性植被。刚性植被（如水生灌木、红树林等）在水流中不发生倒伏与弯曲，柔性植被（如水草等）在水流冲击力与浮力的共同作用下，会发生一定程度的倒伏与弯曲，并产生周期性的振荡。对于生长于河床上的植被，根据植被的淹没程度，可以分为非淹没植被与淹没植被（图1.2）。当汛期来临时，随着河流流量的增加，河道水深的加大，非淹没植被也会被水流淹没，转化为淹没植被。在相关研究中，通常使用淹没度（水深与植被高度的比值/v 为水深，h为植被高度）来描述植被的淹没程度：小于1Hh，HvHhv时，为非淹没状态；/vHh大于等于1 时，为淹没状态。除此以外，还有以浮萍、水葫芦为代表的漂浮植被，它们漂浮于河道水面，与河床底部之间没有稳定的根系相连接。河流系统中植物的生长区域因植物种类、河流形态的不同而不同，有的遍布整个河流横断面，有的只生长于河漫滩，有的呈斑状分布，形成一个个的植被丛，有的成片生长于河道中，还有的生长区域相对杂乱。为了简化研究对象，通常用相应的参数描述植被的两方面特征：几何形态与空间分布。通常使用长度参数D来刻画植被的几何形态，若植被为近似圆柱体，则D为圆柱直径，若植被为条带状，则D表示其宽度。每两个相邻植被的平均距离用长度参数ΔS来表示，因而在植被高度内单位体积上的植被迎水面积可表示为=/Δ2 。植被高度内的植被密度也可用无量纲的粗糙密度λ来度量aDS（Wooding et al.，1973）：λ=Dhv/ ΔS2 = Dhvm，其中m为单位河床面积上的植被数。另一种无量纲的密度参数φ 则表示植被高度内植被所占体积的百分比：对于圆柱形植被，φ≈(π/4)aD；对于条带状植被，φ≈ab，其中b为植被厚度。 对于柔性植被，通常使用弹性模量来表征其柔韧性。 图1.1 河滨带植被 图1.2 非淹没植被与淹没植被 考虑到植被的存在会显著增加河道水流的阻力（沈春颖等，2010），从而降低行洪能力，过去的一些研究曾建议移除河道中的植物，以降低洪水风险。然而，近年来的研究表明，水生植物虽然对行洪不利，但却对河流生态有着十分重大的意义（吴福生和姜树海，2008）。一方面，水生植物丛为鱼类、两栖类、爬行类动物提供了重要的栖息地，维持了河流生态系统的生物多样性（唐洪武等，2007）。另一方面，水生植物本身对水体中的污染物有着吸收、稀释、净化的作用（Farzadkhoo et al.，2018），还可以抑制河道底泥的再悬浮，稳定河床（王忖和王超，2010）。在河流两岸生长的近岸植物群则充当了河流水体的防污屏障，阻止了工农业污染物进入河流。而对于河流中已经存在的污染物，这些植物甚至可以阻止它们进一步向下游扩散，将其固定于植物群落中，并加以降解、吸收。河道中生长的植物的确会给水流的运动产生额外的阻力，减缓水流流速，为了保证河道的行洪能力，需要在维持河道内植被生长的同时，准确预测植被对河道行洪能力的影响程度，进而据此适时调整河道的形态与植被群落分布，以降低不必要的洪水风险。另外，植被尤其是分布不均匀的植被的存在，改变了河道内的水流结构与水力学特征，形成了与普通的明渠（无植被）水流完全不同的流速分布和流场结构，对这一过程的认识也提高了合理改造河流的能力。 植被改变了河道内的水流结构，也因此改变了污染物在河道内的混合特性。针对这一问题，国内外学者对不同工况植被水流内污染物的混合输移过程进行了大量的研究。Murphy 等（2007）利用Chikwendu 和Ojiakor（1985）的慢速流带模型，给出了在水槽全断面覆盖淹没刚性植被的工况下，纵向离散系数的预测方法。在他们的研究中，将水流在垂向上分为上方的快速流带与下方的慢速流带，通过计算两个流带各自的纵向离散系数和两个流带之间的混合交换，来构建纵向离散系数的预测模型。朱兰燕（2008）针对相同的工况，基于k-ε紊流模型，给出了淹没植被影响下污染物纵向输移和垂向分布的三维数值模拟方法。Shucksmith 等（2010）对植被影响下的纵向离散过程进行了一系列的试验研究，他们的研究表明，增大淹没度会导致纵向离散系数的减小。Perucca 等（2009）研究了部分覆盖非淹没刚性植被的工况。针对这一工况，他们先利用沿水深积分的纳维-斯托克斯方程求解得到纵向流速的横向分布，再据此结合Fischer（1967）的三次积分方法得出纵向离散系数。然而，这一方法在实施过程中十分复杂，需要首先根据复杂的边界条件给出流速分布，然后利用某种三次可积的函数拟合这一分布，*后利用Fischer（1967 ）的三次积分方法计算纵向离散系数。同时，在求解沿水深积分的纳维-斯托克斯方程时，方程中的二次流项难以确定。Hamidifar 等（2015）针对类似工况做了更加细致的试验研究，他们比较了河漫滩上有植被和无植被情况下污染物的纵向离散过程，发现植被的存在导致了纵向离散系数的加大。同时，他们比较了一些传统的纵向离散系数预测公式对这种部分覆盖植被工况的预测表现。当植被的位置分布为随机分布时，White 和Nepf（2003）指出，纵向离散过程分为两个部分：基于涡漩滞留（vortex trap）的离散与发生在植被间隔处的二次尾流引起的离散，同时他们给出了相应的表达方法。Murphy（2006 ）进一步简化了基于涡漩滞留的离散的表达方法。Tanino 和Nepf（2008）则对该工况下的横向离散过程进行了研究，给出了预测横向离散系数的方法。Sonnenwald 等（2018a）通过试验研究，提出了首先计算拖曳力系数，然后用其计算离散系数的方法（该方法针对非淹没植被水流且流速较低的情况）。随后，Sonnenwald 等（2019）通过拟合相应的无量纲化后的试验数据，给出了非淹没植被工况低流速下污染物混合的横向离散系数预测模型，该模型形式简单，能保证预测结果与实际测量结果在相同的量级。Sonnenwald 等（2019）针对植被水流内的污染物混合过程，通过改进的k-ε紊流模型，建立了方便工程应用的计算流体力学模型。Li 等（2015）则研究了强弯河道里植被对污染物混合过程的影响，他们的研究表明，相对于横向离散，植被对纵向离散的影响程度更大。Farzadkhoo 等（2018 ）则研究了蜿蜒型河流中，河漫滩上的植被对河流内纵向离散的影响，试验表明河漫滩上的植被使得主槽内污染物的输移时间减少了20%。而对于污染物的横向混合过程，Nepf（2004）针对全断面均匀覆盖非淹没刚性植被的工况，通过试验研究，给出了计算横向紊动扩散系数的方法。Sharil（2012）同时研究了植被影响下水流的流场结构与污染物横向离散过程，提供了详细的试验数据。 第2章 刚性植被环境水力学特性 刚性植被诸如红树林等水生灌木和乔木在天然河道中广泛生长，这些植被不会随着水流的运动而发生形态变化（弯曲）和位置改变（移动或振动）。这种刚性植被从两个方面对水流的运动产生了阻碍作用：一方面，它们的存在减小了河道断面的过水面积；另一方面，水流经过植被，产生了绕流阻力，阻碍了水流运动，减缓了流速。对于刚性植被的相关研究，通常将刚性植被的形状近似假设为圆柱体。根据水深与植被高度的相对关系，刚性植被可分为非淹没植被（挺水）与淹没植被（沉水）两种。枯水期，河流水位较低，植被高度高于水位，植被为非淹没植被；而到了洪水期，河流水位迅速抬高，超过植被高度，以植被顶部为界，上层水流无植被阻碍，流速大于下层水流，从而形成混合层。另外，植被种类不同，生长习性不同，有的植被在整个河道的横断面都有分布，形成全断面覆盖刚性植被的形态，而有的则仅仅生长于河漫滩，形成河漫滩有植被覆盖的复式河槽形态。对于全断面均匀覆盖刚性植被的河道断面，水流在植被作用下会表现出相对稳定的水流形态；而对于部分覆盖刚性植被的河道断面，在有植被的近岸区与无植被的主槽区之间的交界处附近，会产生巨大的流速梯度（近岸区受植被影响，流速小；主槽区无植被阻碍，流速大），同时，植被的存在造成了交界处水流的强烈紊动，形成了混合层，在这一区域内，水流紊动十分强烈，其物质及动量交换也十分快速。本章将在前人研究的基础上，对不同工况下刚性植被河道水流的水动力学特征展开研究与讨论。 2.1 刚性植被阻力特性 河流中的灌木和乔木时常高于水面，尤其是在枯水期，树干及树根部分被水覆盖，而树冠部分则裸露在水面以上，形成非淹没刚性植被工况。如图2.1 所示，水杉群的主干部分全部浸没于水中，树冠部分则在水面以上。 图2.1 非淹没刚性植被 2.1.1 挺水植被 1. 植被全覆盖 1）恒定均匀流 当非淹没刚性植被在整个河槽内都有分布且分布均匀时（图2.2），其水流结构相对简单。植被的存在对水流形成阻碍作用，植被拖曳力导致水流流速降低，水流形态也相对稳定。离开河床的黏性底层以后，水流纵向流速Ux 在垂向上分布较为平均（Nikora et al.，2013）。对于恒定均匀流，可以得到如下动量守恒方程： （2.1） 式中：ρ为水的密度；g 为重力加速度；i 为能量坡度；fb 为河床底部粗糙引起的沿程水头损失系数（达西-韦斯巴赫系数）； d=C 为拖曳力系数；aDm，D 为植被直径，m 为单位河床面积上的植被数；λ为植被密度参数，即植被占河床面积的百分比。