趙汗青,唐洪武,閆 靜,戴會(huì)超,劉志武

(1. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司,北京 100038；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098；3. 長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098；4. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

水生植物廣泛分布于天然河道及城市景觀河流的灘槽區(qū),是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。植物的存在改變了河道水流結(jié)構(gòu)[1- 3],造成了獨(dú)特的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和河床沖淤態(tài)勢(shì)[4],對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全、潛流交換以及部分底棲生物的繁殖、生存均造成顯著影響。

植物作用會(huì)引起局部床面由沙波向沖坑形態(tài)的轉(zhuǎn)變[5]。龔政等[6]將水沙動(dòng)力學(xué)模型與植被生長(zhǎng)模型耦合進(jìn)行數(shù)值模擬研究,結(jié)果表明植被直接影響潮灘水動(dòng)力和地貌演變過程。van Katwijk等[7]研究植物群條件下的床沙級(jí)配時(shí)發(fā)現(xiàn),密集分布的植物條件抑制泥沙起動(dòng)、促進(jìn)懸沙落淤,造成床沙粒徑的細(xì)化；稀疏分布的植物條件則作用相反,造成床沙粒徑的粗化。Wang等[8]、呂升奇等[9]開展相關(guān)研究得到類似的結(jié)論,即泥沙的起動(dòng)流速隨植物排列密度先減小、后增大,推移質(zhì)單寬輸沙率隨植物排列密度先增大、后減小。實(shí)際上,植物排列密度影響床沙級(jí)配和泥沙運(yùn)動(dòng),其本質(zhì)原因在于不同植物密度改變了明渠紊流結(jié)構(gòu)。

定義植物密度(λ)為單位床面面積對(duì)應(yīng)的植物迎流面積。有研究表明:λ<0.04時(shí),河道水流結(jié)構(gòu)與無植物情況類似,屬于床面剪切紊流,植物的存在增加了床面阻力、促進(jìn)水流紊動(dòng)[10]；0.1<λ<1.44時(shí),植物層頂部的Kelvin- Helmholtz不穩(wěn)定性誘發(fā)K- H渦的形成,流動(dòng)為自由剪切混合層紊流,植物促進(jìn)了上部植物層及植物層外部的水流紊動(dòng),并抑制下部植物層水流紊動(dòng)[11]；0.04<λ<0.1時(shí),流動(dòng)兼具床面剪切紊流與自由剪切混合層紊流的部分特征[12],本文將其稱為“類二重紊流”。一般情況下,含植物河道的水流結(jié)構(gòu)不同于無植物條件,相應(yīng)的床面沖淤特征也存在很大區(qū)別。已有的研究側(cè)重于分析植物流條件下的水沙運(yùn)動(dòng),忽略了對(duì)床面沖淤的研究,且并未建立紊流類型與泥沙運(yùn)動(dòng)或床面沖淤之間的聯(lián)系。

本文采用室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn),通過改變植物排列密度來產(chǎn)生不同類型的紊流,研究不同類型紊流下的床面沖淤特征,揭示植物密度的改變引起床面形態(tài)特征發(fā)生變化的機(jī)理,探究床面起伏對(duì)流動(dòng)的反饋?zhàn)饔?能夠在一定程度上完善河流動(dòng)力學(xué)理論,并為生態(tài)河道設(shè)計(jì)以及河流管理等工作提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)12 m、寬0.6 m、深0.6 m的可變坡循環(huán)水槽中進(jìn)行。水槽流量(Q)可控、沿程水深(H)可調(diào),以利于產(chǎn)生恒定均勻流。利用直徑dv、高度hv的圓棒模擬植物,并沿縱向(x向)、橫向(y向)分別按照Lx、Ly的間距均勻布置植物,形成8 m×0.6 m的植物群,對(duì)應(yīng)植物排列密度λ=dvhv/(LxLy)。利用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)進(jìn)行流動(dòng)及床面形態(tài)測(cè)量。

床面條件包括平床和起伏(沖淤)床面2類。平床實(shí)驗(yàn)的布置見文獻(xiàn)[12]，沖淤床面實(shí)驗(yàn)的水槽及植物布置見圖1(a)。通過理論分析與預(yù)實(shí)驗(yàn)比選,確定粒徑ds=0.38 mm的均勻沙為實(shí)驗(yàn)沙。實(shí)驗(yàn)步驟如下:① 在植物區(qū)鋪沙并反復(fù)刷平；② 根據(jù)設(shè)定的流量、水深條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；③ 當(dāng)植物區(qū)呈現(xiàn)規(guī)則的床面形態(tài)且沿程不變,植物區(qū)以外無明顯輸沙時(shí),認(rèn)為達(dá)到清水沖淤的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),并定義此時(shí)的床面條件為“起伏床面”；④ 將流速降低至小于泥沙的起動(dòng)流速,進(jìn)行床面形態(tài)測(cè)量；⑤ 在不破壞床面形態(tài)的前提下,將流量、水深緩緩降至0,并通過噴灑水泥粉的方式固化床面；⑥ 恢復(fù)實(shí)驗(yàn)流量、水深,進(jìn)行流動(dòng)測(cè)量。

測(cè)點(diǎn)布置見圖1(b)。測(cè)量斷面位于植物群起點(diǎn)的下游5 m處,沿?cái)嗝娌贾?條典型測(cè)線,測(cè)線1和測(cè)線2沿y方向位于相鄰兩列植物之間,前者的平面投影沿x方向與植物排重合,后者的平面投影沿x方向位于相鄰2排植物之間。根據(jù)Zhao等[12]的結(jié)論,可以將相同高度處的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,以平均值代表流場(chǎng)的整體特性。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置示意[12](非等比例繪制)

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)置6組工況(表1),包括3種植物排列密度條件、2種床面條件,均保持Q=32.4 L/s、H=18 cm、hv=6 cm、dv=0.6 cm不變。植物密度條件包括稀疏、中等、密集,分別以字母S、M、D表示,分別對(duì)應(yīng)床面剪切紊流、“類二重紊流”、自由剪切混合層紊流的流動(dòng)類型[12]。床面條件包括平整和起伏,分別以字母E、F表示。本文通過字母組合進(jìn)行工況命名,如“ME”表示中等植物密度的平床實(shí)驗(yàn)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況列表

2 結(jié)果與分析

2.1 床面的沖淤特征

實(shí)驗(yàn)開始以后,拍照記錄不同時(shí)刻的床面地形,定性描述其動(dòng)態(tài)演變過程。當(dāng)達(dá)到?jīng)_淤相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)之后,測(cè)量床面地形,定量分析不同類型紊流作用下的床面形態(tài)特征。

2.1.1 床面地形的動(dòng)態(tài)演變

圖2展示SF工況(植物密度稀疏、床面起伏條件)的床面動(dòng)態(tài)演變,表現(xiàn)為植物根部沖淤和沙波的綜合作用。植物根部的沖淤發(fā)展與墩柱沖刷類似:植物迎水面向下水流直接“射”向床面,造成一定范圍內(nèi)的局部沖刷；在向下水流的持續(xù)淘刷作用下,形成環(huán)繞植物的馬蹄形沖坑,并誘發(fā)產(chǎn)生相應(yīng)的渦結(jié)構(gòu)；馬蹄渦作用將沖坑內(nèi)泥沙帶出坑外,造成沖坑尺寸逐漸增大并趨于穩(wěn)定。該過程相對(duì)迅速,最終呈現(xiàn)漏斗型立面形態(tài),見圖2(b)的馬蹄渦作用區(qū)。

對(duì)任一植物而言,其左右兩側(cè)的尾渦脫落頻率、作用強(qiáng)度相當(dāng),在床面形成2條沿流向?qū)ΨQ分布的“沙溝”線；同時(shí),兩側(cè)尾渦的作用方向相反[13],造成尾渦攜帶的泥沙在植物后方堆積并形成沿流向的“沙脊”線。沙溝、沙脊交錯(cuò)分布,對(duì)應(yīng)床面呈魚尾狀平面形態(tài)、棱錐狀剖面形態(tài),見圖2(b)的尾渦作用區(qū)。

圖2 SF工況的床面動(dòng)態(tài)演變過程

沙波的發(fā)展過程可描述如下:① 實(shí)驗(yàn)開始之后,泥沙在床面迅速聚集并形成諸多微微隆起的小丘。小丘沿垂向增高并沿橫向連接,形成順直沙波,見圖2(a)、圖2(b),與無植物明渠的情況類似。② 沙波波高持續(xù)增加并向下游移動(dòng),發(fā)生順直沙波向彎曲沙波的轉(zhuǎn)變,見圖2(c)、圖2(d)。③ 沙波形態(tài)持續(xù)變化,最終呈現(xiàn)舌狀平面形態(tài),見圖2(e)、圖2(f)。張向東[14]在類似的水動(dòng)力、泥沙條件下進(jìn)行無植物水槽實(shí)驗(yàn),得到順直微彎的沙波床面。由此對(duì)比可知,植物的存在是造成舌狀沙波的重要原因。分析認(rèn)為,植物作用增加了局部水流阻力并阻礙沙波向下游移動(dòng)。隨著床面位置沿橫向靠近植物,相應(yīng)的阻礙作用愈發(fā)顯著,最終造成沙波的平面形態(tài)呈舌狀。

2.1.2 沖淤穩(wěn)定的床面形態(tài)

SF工況(λ=0.005 6,植物密度稀疏)的床面地形見圖3。在水槽中軸線附近Lx×Ly的床面范圍內(nèi)(即沿縱、橫向分布的相鄰4株植物之間),床面起伏落差3.9 cm,約等于102ds。其中,沙波長(zhǎng)約15 cm、波峰高程1.2 cm、波谷高程-1.1 cm,波高2.3 cm。植物根部的床面同時(shí)受局部沖淤和沙波運(yùn)動(dòng)的影響,表現(xiàn)出明顯的空間變異性:圖3(c)中的I點(diǎn)處于植物迎水面沖刷區(qū)和沙波的波谷,床面高程z=-2.1 cm,對(duì)應(yīng)沖刷最顯著的位置；Ⅱ點(diǎn)位于尾渦作用區(qū)和沙波的波峰,床面高程z=1.8 cm,對(duì)應(yīng)淤積最顯著的位置；Ⅲ點(diǎn)位于植物后方馬蹄渦作用區(qū)和沙波的波峰,床面淤高z=0.8 cm。Ⅲ點(diǎn)的淤積現(xiàn)象說明,相比于迎水面向下水流和馬蹄渦引發(fā)的淘刷作用,床面剪切紊流引發(fā)的沙波作用主導(dǎo)局部床面的沖淤變化。

圖3 SF工況下沖淤穩(wěn)定時(shí)的床面地形

DF工況(λ=0.360 0,植物密度密集)的床面地形見圖4。由于自由剪切混合層紊流作用于植物層頂部一定范圍[12,15],此時(shí)的床面沖淤僅受植物根部水流運(yùn)動(dòng)的影響,相應(yīng)的形態(tài)特征與含非淹沒植物明渠的情況類似[16],表現(xiàn)為馬蹄形沖坑與沙溝、沙脊交錯(cuò)分布,見圖4(a)、圖4(b)。圖4(c)表明,沙溝、沙脊處的床面高程均大于0,即發(fā)生了床面淤積(見橢圓框區(qū)域)。最大沖深處對(duì)應(yīng)床面高程z=-0.56 cm,最大淤高處對(duì)應(yīng)z=0.24 cm,床面起伏0.8 cm,約等于21ds。

圖4 DF工況下沖淤穩(wěn)定時(shí)的的床面地形

MF工況(λ=0.045 0,植物密度中等)的床面地形兼具DF和SF工況下的部分特征,表現(xiàn)為馬蹄坑- 沙溝/沙脊- 沙波復(fù)合形態(tài),見圖5(a)、圖5(b)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),沙脊高度沿流向先增大后減小,其頂點(diǎn)與沙波的波峰重合,且沙波的平面形態(tài)同樣呈舌狀,見圖5(c)紅線。在該工況下,任意相鄰2排植物之間有且僅有1條波峰線,說明沙波的平均波長(zhǎng)約等于植物的縱向間距Lx=10 cm。最大沖深處對(duì)應(yīng)床面高程z=-1 cm,最大淤高處對(duì)應(yīng)z=1.2 cm,床面落差2.2 cm,約等于58ds。

圖5 MF工況下沖淤穩(wěn)定時(shí)的床面地形

從SF、MF到DF工況,植物排列密度λ逐漸增大,床面起伏逐漸減小。有研究認(rèn)為泥沙的起動(dòng)流速、輸沙率均隨λ呈折線型變化[8- 9],與本文結(jié)論存在一定的區(qū)別。作者分析發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)[8- 9]設(shè)定λ的取值范圍較窄,分別是0.072～0.24[8]、0.06～0.36[9],但不同植物密度的實(shí)驗(yàn)工況較多；本文設(shè)定λ的取值范圍較寬,但實(shí)驗(yàn)工況較少。進(jìn)一步地,鑒于λ=0.1左右對(duì)應(yīng)起動(dòng)流速極小值和輸沙率極大值[8- 9],推斷在“類二重紊流”(0.04<λ<0.1)和自由剪切混合層紊流(0.1<λ<1.44)條件下,植物密度的增大將分別促進(jìn)和抑制泥沙運(yùn)動(dòng)。

2.2 床面變形對(duì)流動(dòng)的影響

2.2.1 床面剪切紊流

床面剪切紊流條件下(λ=0.005 6),流動(dòng)特性參量沿水深分布見圖6。實(shí)驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)寬深比B/H=3.33,水槽邊壁對(duì)流動(dòng)的影響較為明顯,SE工況的最大流速發(fā)生于z=0.72H處(z=131 mm),與前人結(jié)論大致吻合[18],見圖6(a)虛線。SF的地形沖淤顯著,增加了床面阻力并相對(duì)減弱了邊壁作用,造成最大流速的發(fā)生位置向水面移動(dòng)并加劇流速沿垂向不均勻分布,見圖6(a)。地形沖淤增大了粗糙次層的厚度[14],對(duì)應(yīng)最大雷諾應(yīng)力的發(fā)生位置上移,并促進(jìn)水流動(dòng)量交換,見圖6(b)。

圖6 λ=0.005 6條件下和Sw沿水深分布

圖6(c)為偏態(tài)系數(shù)沿水深分布。Su=0和Sw=0的位置(即猝發(fā)現(xiàn)象發(fā)生變化的臨界高度)基本吻合,并將水體分為上、下2層。在床面剪切紊流條件下,床面阻力主導(dǎo)紊流擬序運(yùn)動(dòng),近床面區(qū)域產(chǎn)生了相應(yīng)的渦結(jié)構(gòu)并向水面演變[19],造成下層水體清掃、上層水體噴射。SE工況猝發(fā)現(xiàn)象的臨界高度位于0.1H～0.2H,即18 mm

2.2.2 自由剪切混合層紊流

本實(shí)驗(yàn)自由剪切混合層紊流條件下(λ=0.360 0),流動(dòng)特性參量沿水深分布見圖7。結(jié)果表明:“最大流速下移”現(xiàn)象消失,密集分布的植物群“抬高了床面”；床面起伏造成近床面流速降低、近水面流速增加,見圖7(a)；DF工況對(duì)應(yīng)植物層外部(z>60 mm)的雷諾應(yīng)力略小于DE工況的值,植物層內(nèi)部(0

在自由剪切混合層紊流條件下,K- H渦的形成和發(fā)展主要取決于植物阻力[1]。地形的變化并不影響植物阻力,也未改變植物頂部流動(dòng)的不連續(xù)分布,因此植物頂部處的流速梯度,即圖7(a)的虛線斜率不隨床面條件而變化。鑒于床面阻力與自由剪切混合層紊動(dòng)之間無直接聯(lián)系,床面變形對(duì)動(dòng)量交換、臨界猝發(fā)高度的影響也不顯著。若將植物視作床面大尺度糙元,此時(shí)的上層類似于明渠流動(dòng)的外區(qū)[11,20],相應(yīng)的噴射作用同時(shí)受床面阻力和植物阻力的影響。地形沖淤增加了床面阻力,造成DF工況的噴射作用較DE工況劇烈,見圖7(c)。

圖7 λ=0.360 0條件下和Sw沿水深分布

2.2.3 類二重紊流

“類二重紊流”條件下(λ=0.045 0),床面變形對(duì)流速沿水深分布的影響程度介于自由剪切混合層紊流和床面剪切紊流之間,見圖8(a)。床面起伏促進(jìn)植物層內(nèi)部的水流動(dòng)量交換,與床面剪切紊流情況類似；抑制植物層外部的動(dòng)量交換,與自由剪切混合層紊流情況類似,見圖8(b)。相比于其他2種紊流條件,床面變形顯著降低了猝發(fā)現(xiàn)象發(fā)生變化的臨界高度,由ME工況的1.5hv(z≈90 mm)降低到MF工況的hv(z≈60 mm),見圖8(c)。

在該條件下,植物阻力和床面阻力均對(duì)整個(gè)水深范圍內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生重要影響[12]。在床面以上一定高度的上部植物層,植物阻力和床面阻力將分別引起清掃和噴射作用[21]。圖8(c)表明,在ME和MF工況,上部植物層區(qū)域(以40 mm90 mm),床面阻力和植物阻力均對(duì)應(yīng)紊動(dòng)的噴射現(xiàn)象,造成MF工況的Su和Sw絕對(duì)值大于ME工況的值。

圖8 λ=0.045 0條件下和Sw沿水深分布

3 結(jié) 論

本文通過室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn),選擇粒徑均勻的石英沙,研究不同類型紊流條件下含淹沒植被明渠的床面沖淤特征以及床面變形對(duì)流動(dòng)的影響。主要結(jié)論如下:

(1) 床面剪切紊流條件下,床面沖淤形態(tài)為植物根部沖淤和沙波形態(tài)的疊加。床面變形對(duì)流動(dòng)的影響與無植物明渠情況類似,加劇了流速沿水深不均勻分布并促進(jìn)水流動(dòng)量交換。

(2) 自由剪切混合層紊流條件下,沖淤床面的形態(tài)特征主要表現(xiàn)為植物根部沖淤,即馬蹄形沖坑及其后方交錯(cuò)分布的沙溝、沙脊。床面變形對(duì)植物頂部的流動(dòng)不連續(xù)性以及水流動(dòng)量交換的影響不顯著。

(3) “類二重紊流”條件下,床面的沖淤形態(tài)同樣表現(xiàn)為植物根部沖淤和沙波的疊加。水流運(yùn)動(dòng)特性同時(shí)取決于植物阻力和床面阻力,植物阻力對(duì)植物層的猝發(fā)現(xiàn)象起主導(dǎo)作用。床面變形促進(jìn)植物層內(nèi)部的水流動(dòng)量交換、抑制清掃作用,抑制植物層外部的動(dòng)量交換、促進(jìn)噴射作用。

致謝:感謝鄭金雨、劉杰夫在實(shí)驗(yàn)過程中給予的幫助；感謝劍橋大學(xué)梁東方博士提供的有益討論。