張 斌， 馬旭東

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065)

0 引 言

植被群通常是樹木群、灌木群和野草群的初始生長形態(tài)[1]。植被群通常生長在河道的過流區(qū)域，會長期影響其周圍區(qū)域的水流特性、灘槽演變及河床形態(tài)[2-12]。植被群最大的特征是其尾端存在流速及紊動強度均很小的尾流區(qū)，其長度為Lv(見圖1)。由于較小的流速與紊動強度，吸附有機營養(yǎng)物的懸浮泥沙極易沉積在植被尾流區(qū)，沉積泥沙可以促進植被生長和擴張[9]。當(dāng)植被孔隙φ>0.04時(=πnd2/4，其中：n為單位面積植被數(shù)量，d為單株植被直徑)，在x=Lv處開始出現(xiàn)卡門渦街[13]。在渦街作用范圍內(nèi)(x>Lv)，流速和紊動強度迅速增大，引起河床沖刷[14]。因此，有必要對植被尾流區(qū)的長度測量技術(shù)進行研究。

圖1 植被群尾流區(qū)及卡門渦街概化示意圖

對于植被尾流區(qū)的長度測量，傳統(tǒng)的方法是通過流速測量找尋植被群尾端(x=0)到植被群后側(cè)最小流速出現(xiàn)處的長度[13-14]。這種方法的特點是精度較高，但缺點是測量時間長且測量范圍大。如運用Micro-ADV測量一組植被群尾端1/2水深處的流速縱向分布，然后找出尾流區(qū)長度，需要花費約3 h。如果需要完成大量的植被群尾流區(qū)長度測量工作，在實驗室內(nèi)需要花費大量的人力、物力和財力來完成測量工作。在野外實測中，天然河道來流條件是隨時間變化的，長時間內(nèi)采集的測量數(shù)據(jù)是隨時間變化的函數(shù)，會讓尾流區(qū)長度的判斷變得相當(dāng)不準(zhǔn)確[2]。

本文采用熒光劑指示植被群尾流漩渦發(fā)展過程，熒光劑具有分辨率高、易識別的特點[15]，在視頻中可以清晰地指示漩渦的運動軌跡。運用Matlab將漩渦視頻轉(zhuǎn)化為數(shù)值分布，提出了一種全新的植被群尾流長度測量技術(shù)。

1 實驗方法

植被群采用剛性竹簽?zāi)M，植被密度a(=nd)在0.06～0.96 cm-1之間變化，單株植被直徑d=0.4 cm。本文研究僅考慮非淹沒植被群,植被群直徑D=10～40 cm,實驗參數(shù)詳見表1。將每組植被群布置在PVC板上，在植被群后側(cè)的PVC板上沿水流方向用白色方塊膠帶布置多排位置標(biāo)記點，各個白色方塊膠帶中心的實際橫向和縱向距離均為10 cm，以便對應(yīng)后續(xù)處理結(jié)果確定尾流區(qū)的真實坐標(biāo)位置。所有工況的水深及上游平均流速均相同，具體來講，水深H=14 cm，上游平均流速u0=9 cm/s。工況1～25中的D/B=0.15～0.4均小于0.5，滿足植被群阻水寬度比(D/B)小于0.5的條件，所以，邊壁對尾流區(qū)及漩渦形成的影響均可忽略。當(dāng)D/B>0.5時，水槽邊壁會對植被群后側(cè)的漩渦運動產(chǎn)生較大影響[16]。

1.1 示蹤實驗及視頻處理

在植被群兩側(cè)邊緣注射熒光劑，相機布置在植被群下游10倍直徑位置處(x=10D)錄制卡門渦街的運動過程。注射各個方向的視頻錄制時間大于30 s以完整錄下至少2個漩渦運動周期，確保準(zhǔn)確?？ㄩT渦街的擺動周期約為10～15 s[10]。由于熒光劑只能指示尾流區(qū)的瞬時長度，而通常我們定義的尾流區(qū)為時間平均上的長度，因此，需要將至少包含2個完整擺動周期的卡門渦街視頻進行時間平均處理。處理時先將視頻按照1張/s的標(biāo)準(zhǔn)截圖，截圖數(shù)量必須≥30張(≥30 s)，以覆蓋至少完整的2個渦街?jǐn)[動周期。

表1 實驗參數(shù)

視頻錄制完成后需要將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值分布。①在Matlab中運行代碼，將每張垂向漩渦視頻圖片的熒光示蹤劑綠色轉(zhuǎn)化為數(shù)值，具體為，某個點的綠色濃度高低可以用數(shù)值0～255表示，0表示沒有熒光綠，255表示只有熒光綠。某些區(qū)域出現(xiàn)熒光指示劑時，數(shù)值增大，代表該處熒光強度越大。然后，得到30張視頻圖片中計算斷面上(x-y平面)的熒光強度縱向分布。②計算30張視頻圖片在計算斷面上每個位置的熒光強度標(biāo)準(zhǔn)差，繪制橫向漩渦在水流方向上的熒光強度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖，例如，圖2(b)中x=1 430時，標(biāo)準(zhǔn)差約等于50，表明該處熒光劑出現(xiàn)的頻率很高，而x=1 200時，標(biāo)準(zhǔn)差約等于0，表明該出熒光劑出現(xiàn)得平率很低。圖2(a)為30張?zhí)幚硪曨l中的一張，可以看出，與上面所述熒光劑識別情況一致。然后，選取植被群兩側(cè)無熒光示蹤劑區(qū)域的一點為參考點(見圖2(a))，以該點的標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)誤差值SD(例如，圖2中SD=1.8)，在水平向漩渦的熒光強度標(biāo)準(zhǔn)差分布圖上找出植被群后側(cè)標(biāo)準(zhǔn)差首次大于基本誤差值的位置，將該點與坐標(biāo)原點之間的水平距離定為L1，再找出標(biāo)準(zhǔn)差最大值的出現(xiàn)位置，將該點與坐標(biāo)原點間的水平距離定為L2。最后，采用下式計算尾流區(qū)長度：

Ldye=(L1+L2)/2±(L2-L1)/2

對于每一組工況，示蹤試驗及視頻處理過程，具體包括視頻錄制、視頻導(dǎo)出、視頻處理和繪制分布圖，只需要約5 min即可完成。

圖2 熒光劑指示植被群尾流區(qū)及熒光強度縱向分布

1.2 流速測量

為了驗證熒光劑指示尾流區(qū)長度的準(zhǔn)確性，用傳統(tǒng)測量方法進行驗證。因為所有工況均為非淹沒植被群，這里也沿用傳統(tǒng)方法在1/2水深開展流速測量。測量范圍從x/D=-3～-1和0～5。每一個點的采樣頻率和時間分別為25 Hz和4 min，以確保能夠在每點采集至少6 000個樣本點，保證測量精度。采用傳統(tǒng)測量方法確定一個工況的植被群尾流區(qū)至少花費2.5 h。將采集的流速原始數(shù)據(jù)運用WinADV處理后，輸出每個點的時均流速。做出流速(用上游平均流速無量綱化，U/U0)在水流方向(用植被直徑無量綱，x/D)上的分布圖(u/u0vsx/D)。尾流區(qū)長度Lv為植被群末端(x/D=0)到流速最低點處的距離。例如：圖3中，工況5，D=10 cm,Lv=(20±3) cm。

圖3 傳統(tǒng)流速測量方法確定植被群尾流區(qū)長度Lv

2 實驗結(jié)果比較與討論

將所有工況用流速測量獲得的Lv和Ldye進行比較(見圖4，數(shù)據(jù)見表1)，發(fā)現(xiàn)兩者吻合很好(R2=0.92)。表明熒光劑探測植被尾流區(qū)長度給出的結(jié)果是準(zhǔn)確的。對于每一組工況，采用熒光指示劑技術(shù)獲取Ldye的時間僅需要約5 min，而傳統(tǒng)流速測量方法獲取Lv需要約2.5 h。從時間成本、人力成本上看，該技術(shù)可以很大程度上節(jié)約時間及人力資源。換句話說，將實驗效率提高了至少30倍。

圖4 比較Ldye和Lv

對于野外實測，熒光劑探測技術(shù)也有很大優(yōu)勢，只需架設(shè)攝像機，在指定植被群兩側(cè)注射熒光劑或是顏色分辨率高的染色劑，采集視頻大于30 s，導(dǎo)出視頻運用Matlab處理后即可獲得尾流區(qū)長度。在如此短暫的時間內(nèi)(約30 s)，水流條件的變化基本可以忽略，相對于傳統(tǒng)方法，新技術(shù)能夠更快、更準(zhǔn)確地獲取尾流區(qū)長度。為開展植被群的研究提供測量技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語

本文提出了一種簡單、快速、準(zhǔn)確的河道植被群尾流區(qū)長度測量技術(shù)。通過開展水槽實驗，配合熒光示蹤劑、視頻拍攝、視頻處理和繪制分布圖等方法，能夠迅速得到尾流區(qū)長度，觀測結(jié)果與傳統(tǒng)流速測量方法的結(jié)果比較,吻合度較高。同時，該技術(shù)可以節(jié)約大量時間及人力成本，有效地提高了實驗室實驗和野外實測的效率。

參考文獻(References)：

[1] Tanaka N, Yagisawa J. Flow structures and sedimentation characteristics around clump-type vegetation[J]. Journal of Hydro-environment Research, 2010, 4(1):15-25.

[2] Vandenbruwaene W, Temmerman S, Bouma T J,etal. Flow interaction with dynamic vegetation patches: Implications for biogeomorphic evolution of a tidal landscape[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2011, 116(F1):155-170.

[3] Liu C, Luo X, Liu X,etal. Modeling depth-averaged velocity and bed shear stress in compound channels with emergent and submerged vegetation[J]. Advances in Water Resources, 2013, 60(8):148-159.

[4] Yang K, Cao S, Knight D W. Flow Patterns in Compound Channels with Vegetated Floodplains[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2007, 133(2):148-159.

[5] 盧金友, 劉興年, 姚仕明. 長江泥沙調(diào)控與干流河床演變及治理中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題與預(yù)期成果展望[J]. 工程科學(xué)與技術(shù), 2017, 49(1):33-40.

[6] 劉 超, 楊克君, 劉興年,等. 植被作用下的彎曲復(fù)式河槽漫灘水流2維解析解[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版), 2012, 44(6):7-12.

[7] Shan Y, Liu C, Luo M,etal. A simple method for estimating bed shear stress in smooth and vegetated compound channels[J]. Journal of Hydrodynamics, 2016, 28(3):497-505.

[8] Liu C, Shan Y, Liu X,etal. The effect of floodplain grass on the flow characteristics of meandering compound channels[J]. Journal of Hydrology, 2016, 542:1-17.

[9] Liu C, Nepf H. Sediment deposition within and around a finite patch of model vegetation over a range of channel velocity[J]. Water Resources Research, 2016, 52(1): 600-612.

[10] Shan Y, Liu X, Yang K, Liu C. Analytical model for stage-discharge estimation in meandering compound channels with submerged flexible vegetation[J]. Advances in Water Resources, 2017, 108, 170-183.

[11] Rameshwaran P, Shiono K. Quasi two-dimensional model for straight over-bank flows through emergent[J]. J Hydraul Res,2007, 45: 302-315.

[12] Liu C, Liu X, Yang K. Predictive model for stage-discharge curve in compound channels with vegetated floodplains[J]. Applied Mathematics and Mechanics, 2014, 35(12): 1495-1508.

[13] Zong L, Nepf H. Vortex development behind a finite porous obstruction in a channel[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2012, 691(1):368-391.

[14] Ortiz A C, Ashton A, Nepf H. Mean and turbulent velocity fields near rigid and flexible plants and the implications for deposition[J]. Journal of Geophysical Research-earth Surface, 2013, 118(4):2585-2599.

[15] 荊志振, 俞光榮. 熒光示蹤法研究逆行島狀皮瓣靜脈回流[J]. 中國修復(fù)重建外科雜志, 2008, 22(8):959-963.

[16] Sahin M, Owens R G. A numerical investigation of wall effects up to high blockage ratios on two-dimensional flow past a confined circular cylinder[J]. Physics of Fluids, 2004, 16(5):1305-1320.