徐雪峰，張升堂，張景洲，周建森

（山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590）

0 引言

近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)前人的研究進(jìn)行分析總結(jié)，最終將坡面流定義為以降雨為主導(dǎo)，重力為輔助動(dòng)力，流經(jīng)不同坡面產(chǎn)生不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的淺層水流［1，2］。對(duì)于現(xiàn)實(shí)自然環(huán)境而言，水力侵蝕是土壤坡面侵蝕中最為廣泛的自然現(xiàn)象（除風(fēng)力侵蝕以外）。坡面水力侵蝕的演化與水流強(qiáng)度、坡面土壤的抗剪切能力兩者的非協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制有關(guān)，而坡面植被的存在，使得坡面水流形態(tài)更加特殊與復(fù)雜化，一方面使坡面水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，同時(shí)植被根系具有固結(jié)土壤作用，增強(qiáng)了土壤抗蝕性［3，4］，從而成為根治坡面水土流失的重要生物措施。

在國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作中，坡面流植被區(qū)域的流動(dòng)特性和湍流特性受到了廣泛的關(guān)注。大量文獻(xiàn)提及植被分布模式對(duì)坡面流阻力的影響。Wang等［5］重點(diǎn)研究了植被、水流和泥沙輸移間的相互作用。植被密度和布局對(duì)流速有不同程度的影響，流阻隨著植物密度的增加而增大。Zhao 等［6］認(rèn)為坡面植株的根莖能有效的降低泥沙的輸送能力，減少水土流失。張冠華等［7］通過(guò)試驗(yàn)研究植被的分布格局對(duì)坡面水流阻力的影響，對(duì)不同格局的阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比尋找規(guī)律。Zhang 等［8］為研究植被對(duì)水流的影響，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出Manning糙率系數(shù)n隨雷諾數(shù)Re的增加而增大，且當(dāng)植被覆蓋度越大時(shí)，Manning 糙率系數(shù)n隨雷諾數(shù)的變化率越大。姬昌輝等［9］采用水槽試驗(yàn)研究了在不同水流及種植間距下的淹沒(méi)植被曼寧糙率系數(shù)的變化特征，結(jié)果表明糙率系數(shù)與植被間距呈負(fù)相關(guān)性。Ding 等［10］通過(guò)試驗(yàn)得出植被分布在試驗(yàn)段的下部比分布在試驗(yàn)段中部及上部的攔沙效果更好，證明了植被的分布模式對(duì)明渠水流的水力特征有著重要的影響。但大都側(cè)重于實(shí)驗(yàn)?zāi)M，不能準(zhǔn)確得到植被周?chē)乃髁鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)也有一些研究人員對(duì)不同排布方式的植被進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究。Zhao和Huai［11］利用大渦模擬（LES）模型研究了明渠中不連續(xù)和淹沒(méi)植被斑塊對(duì)水流湍流的影響。Lima等［12］和Weber等［13］采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)研究了明渠水生植被周?chē)乃髁鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。Ghani 等［14］采用數(shù)值模擬的方法，研究了圓形和交錯(cuò)植被斑塊周?chē)牧鲃?dòng)情況，利用不同植被密度和流速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Anjum等［15］運(yùn)用CFD 工具FLUENT，對(duì)一個(gè)縱向不連續(xù)和垂直兩層植被占據(jù)河道半寬度的水流進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明林隙內(nèi)的流速明顯慢于植被斑塊內(nèi)的流速，局部和不連續(xù)植被對(duì)水流結(jié)構(gòu)和阻力有較大的影響。占據(jù)半寬度的垂直分層和不連續(xù)植被的存在顯著地影響了縱向和橫向的水流。Anjum和Tanaka［16］采用k-epsilon 模型，通過(guò)覆蓋整個(gè)河道寬度的間斷垂直分層植被來(lái)闡明河道水流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。然而這些研究大多是在相同粗度植被條件下的水流，但實(shí)際坡面植被復(fù)雜多樣，莖稈粗細(xì)程度不同，即使同一坡面上的植被，在不同的生長(zhǎng)階段其莖稈粗度是不斷變化的，而且現(xiàn)實(shí)中洪水水流和灌溉水流在植株間的流動(dòng)受植株直徑影響極大。

因此，對(duì)坡面植被植株粗度進(jìn)行系統(tǒng)性的研究具有重要意義，有助于通過(guò)模型尺度對(duì)實(shí)際含植被坡面的水流阻力進(jìn)行相關(guān)的預(yù)測(cè)，從而達(dá)到提高實(shí)際坡面的阻水能力，降低坡面水流的沖刷能力以及減小水力侵蝕的目的，為坡面水流阻力的研究提供價(jià)值性參考。為分析坡面植被莖桿粗度的變化對(duì)坡面流水力特性的影響，通過(guò)試驗(yàn)分析研究不同流速情況下的水流阻力及流態(tài)變化規(guī)律，從而得出植被的莖桿粗度的變化對(duì)坡面流水力特性影響的定性及定量研究論點(diǎn)。本文的研究目的是建立一個(gè)數(shù)值模型，數(shù)值模擬是由CFD 工具FLUENT 通過(guò)采用Standardk-ε紊流模型進(jìn)行的，通過(guò)均勻分布的非淹沒(méi)植被，分析坡面流的平均速度分布和湍流特性。研究還重點(diǎn)分析了植被間的水流分布特點(diǎn)。

對(duì)圓柱狀模擬植被在坡面徑流沖刷試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的基礎(chǔ)上，旨在研究和分析：

（1）數(shù)值模擬方法對(duì)于含植被坡面徑流沖刷試驗(yàn)是否具有可行性；

（2）不同粗度變化的植被對(duì)流速的影響；

（3）研究植被間特定位置和特定截面的局部流動(dòng)特性。

本數(shù)值模擬試驗(yàn)以統(tǒng)一的植被行列走向與水流方向所成夾角θ= 90°、相鄰植株的行列間距a×a=60 mm×60 mm、高度為0.15 m的圓柱狀塑料棒均勻插入相應(yīng)鉆孔口徑的試驗(yàn)底板。為更加直觀的反映植被莖桿粗度對(duì)坡面水動(dòng)力特性的影響，本數(shù)值模擬試驗(yàn)在坡度s為0 的條件下，設(shè)置3 組莖桿粗度d（3、4、5 mm）的植被，16 個(gè)單位流量q進(jìn)行了模擬計(jì)算，基于有限體積法，采用Standardk-ε紊流模型，建立數(shù)值分析模型，模擬剛性植被粗度變化的條件下坡面流水流阻力的影響，對(duì)三種粗度的剛性淹沒(méi)植被明渠水流特性進(jìn)行了研究。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

在重力驅(qū)動(dòng)下，有自由液面的坡面流動(dòng)中，連續(xù)性方程為：

動(dòng)量守恒方程：

式中：ui表示流速u(mài)在xi方向上的分量；ρ為流體密度；p為平均壓強(qiáng)；ν為運(yùn)動(dòng)黏度。

1.2 湍流模型

采用Standardk-ε模型［17］，不考慮流體壓縮時(shí)，Standardk-ε湍流模型的湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的約束方程如下：

k方程：

ε方程：

式中：xj為坐標(biāo)分量；ui、uj為平均相對(duì)速度分量；Pk是湍動(dòng)能生成項(xiàng)，定義為為湍流耗散率，且ε=為動(dòng)力黏滯系數(shù)；渦旋黏性系數(shù)Cμ= 0.0845。σk和σε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù)，σk= 1.0，σε=1.3；?；?shù)C1ε= 1.44，C2ε= 1.92，C3ε= 1.0。

2 三維湍流數(shù)值模擬分析

2.1 物理模型

本數(shù)值模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒄諏?shí)驗(yàn)室試驗(yàn)儀器建模，實(shí)體試驗(yàn)儀器為長(zhǎng)5 m，寬0.4 m，高0.3 m 的循環(huán)矩形水槽，水槽共分三個(gè)區(qū)域：上游穩(wěn)水區(qū)、試驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)、下游量水區(qū)，其中試驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)長(zhǎng)度為3 m，上游穩(wěn)水區(qū)及下游量水區(qū)各為1 m，水槽共分為五個(gè)斷面，每個(gè)斷面之間的間距均為0.75 m。在試驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)鋪設(shè)有機(jī)樹(shù)脂板，在板中鉆孔插嵌圓柱形塑料棒模擬植被區(qū)。數(shù)值模擬試驗(yàn)可以通過(guò)初始化設(shè)置達(dá)到計(jì)算所需要的水流參數(shù)條件，因此不需要單獨(dú)劃分上游穩(wěn)水區(qū)和下游量水區(qū)，所建物理模型只包含實(shí)驗(yàn)鋪設(shè)區(qū)。

2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

利用ANSYS FLUENT-Mesh 繪制計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到200 多萬(wàn)個(gè)，正交質(zhì)量平均值達(dá)到0.9 以上，單元質(zhì)量平均值達(dá)到了0.7 以上，表明網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足數(shù)值模擬運(yùn)算要求。對(duì)數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性驗(yàn)證（以4 mm 徑粗，0.08 m 水深為例），結(jié)果如圖2所示。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，水流平均流速不斷增加，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到2 365 896 時(shí)，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量，水流平均流速的增量小于0.5%，可認(rèn)為此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)已不顯著影響數(shù)值計(jì)算的結(jié)果。綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算效率，選用全流道網(wǎng)格總數(shù)為2 365 896的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。對(duì)數(shù)值模型劃分不同數(shù)量的網(wǎng)格數(shù)并通過(guò)計(jì)算所得水流平均流速的變化來(lái)檢查網(wǎng)格數(shù)的無(wú)關(guān)性。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)對(duì)水流平均流速的變化影響小于1%時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)達(dá)到無(wú)關(guān)性要求。

圖1 網(wǎng)格劃分圖Fig.1 Meshing diagram

圖2 不同網(wǎng)格數(shù)下的水流平均流速Fig.2 Average flow velocity at different grid numbers

2.3 邊界條件設(shè)置

①入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量入口，湍流強(qiáng)度選擇5%，為一般水流的湍流強(qiáng)度；②出口邊界為壓力出口，出口壓力設(shè)置為0，溫度為300 k；③上表面利用滑移邊壁來(lái)代替水氣交界面，植被表面及壁面均采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（這是更好地預(yù)測(cè)邊界層中流動(dòng)的必要條件），為無(wú)滑移邊界，壁面邊界條件設(shè)置為固壁邊界。仿真和后處理在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具FLUENT 中進(jìn)行。計(jì)算區(qū)域如圖1所示。采用SIMPLE 算法來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力—速度耦合。在運(yùn)算過(guò)程中，當(dāng)所有殘差都低于1×10-5時(shí)，認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是收斂的。在進(jìn)一步的迭代中，殘差沒(méi)有變化，并且還檢查了具有主流速的解，在后續(xù)的迭代中，該解不再明顯變化。因此，使用這些標(biāo)準(zhǔn)，可以假定解決方案已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 3 種植被莖粗在不同流量條件下粗度對(duì)流速的影響

該數(shù)值模擬依據(jù)圖1所示模型及尺寸進(jìn)行物理建模，試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自Zhang［18］等人的試驗(yàn)資料，根據(jù)定床阻力試驗(yàn)要求，對(duì)坡面流水力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。該模擬研究了與之前試驗(yàn)數(shù)據(jù)相同流量條件下，不同植被莖粗情況下坡面流的情況下的流動(dòng)狀況。模擬結(jié)果通過(guò)FLUENT后處理軟件對(duì)其進(jìn)行整理分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。不同植被莖桿粗度下試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)水深h和平均流速v（h～v）關(guān)系曲線圖如圖3示。

圖3 3種不同植被莖稈粗度h～v關(guān)系曲線圖Fig.3 Three different vegetation stalk thickness h～v curve diagram

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種不同植被莖稈粗度的h～v關(guān)系總體呈現(xiàn)出隨著流量的不斷增大，水深隨之增加，流速不斷增大；當(dāng)水深h較小時(shí)，流速隨水深的變化較大，且不同植被莖稈粗度的速度差異較大，隨著水深的增加，流速呈緩慢變化趨勢(shì)。在同一水深h下，不同植被莖稈粗度情況下，水流流速不同；植被莖稈粗度越小對(duì)應(yīng)的流速值也越大，3 種植被莖稈粗度的水流流速關(guān)系為：v3mm＞v4mm＞v5mm，這一規(guī)律說(shuō)明坡面植被莖稈粗度的微小變化對(duì)水流流速有一定的影響，植被莖稈粗度越大，水流流速越小。

試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖3 示，數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大，但保持在10%以?xún)?nèi)，因此可以認(rèn)為數(shù)值模擬在坡面流水流阻力試驗(yàn)研究中的應(yīng)用是可行的。對(duì)于坡面流而言，影響阻力系數(shù)的因素眾多，在本次對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)中，造成這種差異的原因可能是：在數(shù)值模擬試驗(yàn)中，雨滴打擊力在試驗(yàn)中未涉及，因而可忽略不計(jì)；數(shù)值模擬試驗(yàn)中重力和水壓力也已通過(guò)參數(shù)設(shè)置完成，水槽壁面條件設(shè)置為光滑壁面，為理想環(huán)境。從以上分析可見(jiàn)，誤差產(chǎn)生的主要原因可確定為坡面流表面張力的作用以及光滑的壁面條件。

3.2 3 種植被莖粗在相同流量條件下水流時(shí)均流速分布

本數(shù)值模擬選取3、4、5 mm 3 種植被莖粗分為3 組，計(jì)算了在相同流量和水深植被淹沒(méi)狀態(tài)下的水流流速。并且每組模擬中各選取了16個(gè)測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)分布如圖4（b）所示，測(cè)點(diǎn)a～e取在模型中心線上，相距15 mm，其中a 和d 在植被后，b 和e在兩植被中間；測(cè)點(diǎn)f～k 取在中心線沿y軸負(fù)方向平移15 mm；測(cè)點(diǎn)l～p 取在中心線沿y軸負(fù)方向平移30 mm。水流速度坐標(biāo)為x軸，與速度垂直方向?yàn)閥軸，縱坐標(biāo)為z軸。每個(gè)測(cè)點(diǎn)取50 組數(shù)據(jù)，總共采集了2 400 個(gè)數(shù)據(jù)，保證了垂向速度分布的準(zhǔn)確性。

圖4 計(jì)算域示意圖（單位：mm）Fig.4 Schematic diagram of calculation domain

3.2.1 縱向流速分布

圖5～7所示分別為3、4、5 mm 直徑的植被在相同流量條件下各測(cè)點(diǎn)水流流速的垂向分布?？傮w看來(lái)，處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l～p縱向流速相對(duì)較大，靠近植被的測(cè)點(diǎn)f～k縱向流速次之，與植被同行分布的測(cè)點(diǎn)a～e縱向流速最小。

圖5 3 mm直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布Fig.5 Vertical distribution of longitudinal velocity at 3 mm diameter vegetation survey point

圖6 4 mm直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布Fig.6 Vertical distribution of longitudinal velocity at 4 mm diameter vegetation survey point

以（圖5）3 mm 直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布為例?？梢钥闯觯瑑芍脖恢g的測(cè)點(diǎn)a～e中，位于兩植被中間位置的測(cè)點(diǎn)b 流速最大，測(cè)點(diǎn)d 位于植被正下游且緊鄰植被，受到植被阻力影響最大，其縱向流速變化最小，相對(duì)于其他測(cè)點(diǎn)的縱向流速小的多。這是因?yàn)樗鹘?jīng)過(guò)植被時(shí)做圓柱繞流，水流流經(jīng)植被前受到植被的阻擋，迎流面壓強(qiáng)勢(shì)能逐漸增大，動(dòng)能逐漸變小，因而速度逐漸變小。測(cè)點(diǎn)a 縱向流速次之，測(cè)點(diǎn)c 和e 速度相近，這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)c 和e 均位于兩植被之間，離植被較遠(yuǎn)，水流受到植被阻力影響較小，且由于兩測(cè)點(diǎn)相距較近，可以忽略流速損失。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l～p中，測(cè)點(diǎn)n縱向流速最大，達(dá)到0.298 4 m/s，且為所有測(cè)點(diǎn)流速中最大。通過(guò)（圖8）測(cè)點(diǎn)i、nyx剖面流速分布云圖也可以看到這一現(xiàn)象，測(cè)點(diǎn)n 位于兩株植被中間，流速表現(xiàn)最大。測(cè)點(diǎn)i所處位置更接近植被，流速表現(xiàn)小于測(cè)點(diǎn)n。我們還可以看出，從兩株植被中間位置（測(cè)點(diǎn)n）到植被位置，流速表現(xiàn)為逐漸變小。這與植被的擋水作用有關(guān)。

圖7 5 mm直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布Fig.7 Vertical distribution of longitudinal velocity at 5 mm diameter vegetation survey point

圖8 測(cè)點(diǎn)（a～p）yx面流速分布云圖Fig.8 Measurement point（a～p）yx surface velocity distribution cloud map

水流縱向流速隨著到植被距離的增加先增加后減小。且隨著植被粗度的增加，水流縱向流速逐漸變小。

3.2.2 垂向流速分布

考慮到植被對(duì)水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響較大，有必要對(duì)含植被水流的垂向流速變化進(jìn)行研究。從3種粗度植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布（圖5～7）可以很直觀的看出，在模擬的植被區(qū)域內(nèi)，速度的垂直變化是單調(diào)的，最小速度發(fā)生在河床。這與Zeng C［19］的測(cè)量結(jié)果相同。與Neumeier［20］的測(cè)量結(jié)果不同，Neumeier 的測(cè)量結(jié)果表明，最小流速發(fā)生在地層上方約5 cm處。主要原因是Neumeir實(shí)驗(yàn)中采用了變截面自然植被。最大植被密度出現(xiàn)在床上5 cm 左右，對(duì)應(yīng)最小流速水平。位于不同xz剖面的測(cè)點(diǎn)a～e、f～k、l～p垂向流速分布呈現(xiàn)很明顯的規(guī)律，垂向流速v（測(cè)點(diǎn)l～p）＞垂向流速v（測(cè)點(diǎn)f～k）＞垂向流速v（測(cè)點(diǎn)a～e），且流速分布差異非常明顯。以3 mm 粗度植被縱向流速的垂向分布為例，垂向流速v（測(cè)點(diǎn)f～k）與垂向流速v（測(cè)點(diǎn)a～e）的差值達(dá)到0.150 7 m/s，增大168%，可以看出，在y方向距植被越遠(yuǎn)，垂向流速的增長(zhǎng)率逐漸減小。通過(guò)（圖10）測(cè)點(diǎn)a～pxz剖面垂向流速分布云圖可以直觀地體現(xiàn)出流速變化。

以（圖5）3 mm 直徑植被測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布為例，測(cè)點(diǎn)f～k 垂向流速分布幾乎一致，植被淹沒(méi)高度h=0.02 m 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，垂向流速趨近于最大值（0.219 8 ～0.239 9 m/s）。測(cè)點(diǎn)l～p 的垂向流速分布一致性更強(qiáng)，植被淹沒(méi)高度h=0.03 m 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，縱向流速趨近于最大值（0.287 3 ～0.298 4 m/s），它們的流速垂向分布曲線近乎重合。這一現(xiàn)象通過(guò)（圖10）測(cè)點(diǎn)a-pxz剖面垂向流速分布云圖能夠直觀體現(xiàn)。由圖10（b）和（c）可以發(fā)現(xiàn)f～k、l～p 測(cè)點(diǎn)所在xz剖面的垂向速度分布較為均勻，所以各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速垂向分布相差較小。與之相比，測(cè)點(diǎn)a～e 所在xz剖面的垂向速度分布變化較大，植被淹沒(méi)高度h=0.02 m 左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，垂向流速趨近于最大值（0.089 5 ～0.141 8 m/s），如圖10（a）所示，因此各個(gè)測(cè)點(diǎn)的流速垂向分布相差較大。

圖10 測(cè)點(diǎn)a～p xz剖面垂向流速分布云圖Fig.10 Vertical velocity distribution cloud diagram of the a～p xz profile at the measuring point

整體看來(lái)，與植被同行分布的測(cè)點(diǎn)a～e 垂向流速變化幅度最?。ㄆ渲袦y(cè)點(diǎn)d 變化幅度最大，為0～0.147 9 m/s）?？拷脖坏臏y(cè)點(diǎn)f～k 垂向流速變化幅度大于測(cè)點(diǎn)a～e（其中測(cè)點(diǎn)i 變化幅度最大，為0 ～0.239 9 m/s）。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l～p 的垂向流速變化幅度最大（其中測(cè)點(diǎn)n 變化幅度最大，為0～0.298 4 m/s）。通過(guò)（圖9）測(cè)點(diǎn)a～pyz剖面垂向流速分布云圖可以看出這種規(guī)律。且3組粗度植被的測(cè)點(diǎn)縱向流速的垂向分布圖都呈現(xiàn)這種規(guī)律。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這與植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用有關(guān)［21］。測(cè)點(diǎn)a～e 與植被同行分布，由于植被與水流交界面處水流紊動(dòng)較為劇烈，紊動(dòng)強(qiáng)度明顯增加，其紊流強(qiáng)度垂向分布，在植物頂部的水流劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大的能量損失是形成水流阻力的重要原因，因此測(cè)點(diǎn)a～e 垂向流速變化幅度最小。而測(cè)點(diǎn)f～k 與植被排布處較遠(yuǎn)，植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用減小，因此測(cè)點(diǎn)f～k 垂向流速變化幅度大于測(cè)點(diǎn)a～e。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l～p 離植被分布區(qū)最遠(yuǎn)，植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用最小，因而垂向流速變化幅度最大。

圖9 測(cè)點(diǎn)（a～p）yz剖面垂向流速分布云圖（單位：m/s）Fig.9 Measurement point（a～p）yz profile vertical velocity distribution cloud map

另外需要注意的是，在數(shù)值模擬數(shù)據(jù)結(jié)果中，在水槽底部有速度突增，Liu等［22］，Huai等［23］和Pang等［24］在植被水流的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，Liu 等［22］認(rèn)為水槽底部的速度突增可能是由植被底部的馬蹄形渦旋或是結(jié)合渦旋引起的，馬蹄形渦旋會(huì)使得水流從周?chē)鷧^(qū)域較快的繞過(guò)植被底部，從而導(dǎo)致植被底部附近流速突增。

4 結(jié)論

采用標(biāo)準(zhǔn)紊流模型，建立數(shù)值分析模型，進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，通過(guò)在流場(chǎng)入口設(shè)置為質(zhì)量入口的方式，對(duì)矩形明渠中不同莖徑連續(xù)植被水流的流動(dòng)進(jìn)行了模擬。計(jì)算所得的流速值與實(shí)測(cè)值吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性和可行性。在建立數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上，對(duì)坡面水流的流動(dòng)過(guò)程中的水動(dòng)力學(xué)特性的變化規(guī)律進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果比試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大，但誤差保持在10%以?xún)?nèi)，與試驗(yàn)值吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬在坡面流水流阻力試驗(yàn)研究中的可行性。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 種不同植被莖稈粗度的h～v關(guān)系總體呈現(xiàn)出隨著流量的不斷增大，水深隨之增加，流速不斷增大；植被莖桿粗度增大，流速減小。這是由于植被莖桿粗度增大，相對(duì)應(yīng)的總體覆蓋度增大，水流與植被接觸面增大，從而使水流阻力增大

（3）縱向流速分布規(guī)律：總體看來(lái)，處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l～p 縱向流速相對(duì)較大，靠近植被的測(cè)點(diǎn)f-k 縱向流速次之，與植被同行分布的測(cè)點(diǎn)a～e縱向流速最小。水流縱向流速隨著到植被距離的增加先增加后減小。且隨著植被粗度的增加，水流縱向流速逐漸變小。這表明植被根部附近有利于沉積物的積聚，對(duì)植物群落以及水生生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)環(huán)境和空氣。

（4）垂向流速分布規(guī)律：在y方向距植被越遠(yuǎn)，垂向流速的增長(zhǎng)率逐漸減小。從3 種粗度植被垂向分布圖5～7 可以很直觀的看出，位于不同xz剖面的測(cè)點(diǎn)a～e、f～k、l～p 垂向流速分布呈現(xiàn)很明顯的規(guī)律，垂向流速v（測(cè)點(diǎn)l～p）＞垂向流速v（測(cè)點(diǎn)f～k）＞垂向流速v（測(cè)點(diǎn)a～e），且流速分布差異非常明顯。測(cè)點(diǎn)a～e垂向流速變化幅度最小，測(cè)點(diǎn)f-k 垂向流速變化幅度大于測(cè)點(diǎn)a～e。處在兩行植被中間的測(cè)點(diǎn)l～p 離植被分布區(qū)最遠(yuǎn)，植被對(duì)水流的紊動(dòng)作用最小，因而垂向流速變化幅度最大。植被間隙的低流速有利于泥沙沉積物沉積，有助于坡面穩(wěn)定，維持生態(tài)環(huán)境。□