淹没与非淹没植被作用下复式河槽流速最大值分布

淹没与非淹没植被作用下复式河槽流速最大值分布
贾澄澄;刘超;刘兴年
【摘要】本文收集了不同系列的淹没与非淹没植被作用下复式河槽的流速资料并对复式河槽中流速最大值的横向分布进行了探讨。

结果发现滩地流速最大值基本保持在水面附近而主槽中的流速最大值都在水面以下；当滩地种有非淹没植被时；主槽中的流速最大值分布与无植被时几乎一致，滩地流速最大值在植被密度较小时仍在水面，但当植被密度较大时，最大值会向床面靠近；当滩地种植淹没植被时，流速最大值的位置会随着植被淹没度的增加而逐渐上升，最终保持在水面附近。

%This paper collected different series of compound channel flow rate data and compound channels in the maximum lateral velocity distribution under flooded and non-flooded vegetation and discussed.The results showed that the maximum flow rate of beach remained near the water surface and the maximum flow rate in the main channel are below the water surface;When planted with non-inundated floodplain vegetation;almost unanimously when the maximum flow rate of the main channel of distribution and no vegetation ,beaches flow rate when the maximum is still small vegetation density of the water ,but the vegetation density is large ,the maximum will be closer to the bed;drowned when planting beach vegetation ,location of the maximum flow rate increases with the degree of submerged vegetation gradually rise eventually remain near the surface.
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】5页(P20-24)
【关键词】复式河槽;滩地植被;流速最大值分布;水槽试验
【作者】贾澄澄;刘超;刘兴年
【作者单位】四川大学水利水电学院，四川成都 610065;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065;四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都 610065
【正文语种】中文
【中图分类】TV133
在明渠水流中，基于掺混长度的假设可以得到垂线流速计算公式，但在粘性底层边界条件并不满足，存在流速计算值为负无穷的情况。

Nezu& Wolfgang[1]和Cardoso&Gust[2]对明渠水流垂线流速分布做了详细研究，将水流分为粘性底层区，过渡区和外区，他们发现在流速在外区只有部分符合对数分布，在靠近水面处流速反而减小。

胡春宏[3]和袁建忠[4]提出明渠流速最大值的分布分布规律并提出新的二维流速计算公式。

Tominaga&Nezu[5]研究了没有植被的复式河槽中垂向流速分布特性。

吉祖稳[6]发现漫滩水流垂线流速分布的不足并给出了修正公式。

Huai[7-8]根据掺混长度理论将有植被的明渠水流在垂向分为多个区域并给出了各流层的流速计算公式。

Yang[9-10]详细研究了不同滩地植被对流速分布的影响并给出了对数公式的经验参数。

从一些前人的研究来看，流速在粘性底层以外区域是不完全符合对数分布的。

随着与床面的距离越来越远，流速也开始逐渐偏离对数分布并减小。

对于复式河槽，主
槽区与和滩地区域若在足够大时可沿用单一河道流速最大值分布规律进行描述，但实际上有无限宽滩地的复式河槽并不存在。

因此，各垂线的流速最大值横向分布必然会随相对水深的变化而改变。

当滩地种植被后，复式河槽中的流速分布及其最大值分布又会发生较大变化。

因此，对于有必要通过试验来探讨淹没于与淹没植被作用下复式河槽中垂线流速最大值的横向分布规律。

试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室小型水槽中进行，水槽长35m，宽1m，高0.6m，水流经槽首三角堰跌入静水池再经消能墙进入水槽，槽尾设置一平板闸门用于调节水位，以获得均匀流，当水面比降与床面坡降相等或误差很小时，即认为水流为均匀流。

复式河槽用砖块搭砌而成，床面用水泥抹光，主槽和滩地分别宽30cm和60cm，主槽边坡系数Sc=1.0，滩槽高差h= 0.1m，滩地上预留dx=6cm，dy=3cm的插孔，如图1。

这里设计了滩地无植被(N20,N28和N36)和滩地有植被(V20和V28)5个系列试验，用刚性竹签模拟乔木，竹签长35cm，直径0.6cm，植被段长5.2m，植被没有固结在滩地上，可根据试验需要插种于滩地预留孔中，试验时植被为非淹没状态。

作者设计了三个密度分别为69(dx=12cm，dy=12cm)，139(dx=12cm，
dy=6cm)和556(dx=6cm，dy=3cm)颗/ m2。

三维流速用多普勒三维测速仪（ADV）采集，测量断面布置了12条测量垂线(如图2)，每条垂线的横坐标从左
向右依次为5,15,25,30,35,40,45, 55,65,75,85,95(cm)。

床面坡度为1.25‰。

相
对水深Dr=(H-h)/H。

试验参数详见表1。

2.1 滩地无植被
图3反映了复式河槽滩地无植被时的垂向流速最大值横向分布。

这里给出滩地无
植被的三个系列试验(N20，N28和N36)的流速分布及其最大值横向分布。

从图3中可看出，水流漫滩后流速最大值分布随相对水深的增大而上升，主槽中心(y=
15cm)的流速最大值位置较滩地中心(y=70cm)的最大值高度低。

整体来看，滩地
上的流速最大值基本保持在水面位置，而主槽中的流速最大值在水面以下。

2.2 滩地种植非淹没乔木
复式河槽滩地种植被后，水流各项特性发生变化，不同植被的独特自身属性对水流影响很大，所以这里只研究滩地种乔木时的流速最大值横向分布。

图4给出了V20和V28系列的流速最大值横向分布，可以看出滩地种乔木后，随着滩地植被密度增加，主槽区流速明显增大而滩地流速则显著减小。

滩地有植被的V20系列流速最大值横向分布与滩地无植被的N20系列基本一致，在掺混区随着滩地植被密度的增加，其最大值位置逐渐下降。

这可能是因为较大的植被密度使得主槽与滩地间流速差进一步增大，从而造成掺混区水面附近水流交换加剧引起较大的能量耗散使得流速减小，所以掺混区最大流速值分布下移。

V28系列相对水深较V20系列大，水流流态更稳定，其主槽最大值分布与N28基本相同，但滩地最大值分布不再在水面附近而是下降较大，很明显是植被对水流的阻力作用造成这样的后果。

2.3 滩地种植淹没乔木
为了研究淹没植被对复式河槽流速最大值横向分布的影响，采用杨克君等[9]的试验资料进行分析，详细参数见表2。

从图5(a)(b)和(c)中可看出，在不同相对水深的复式河槽中，主槽中心和滩地中心间区流速最大值分布与上节所描述的规律基本相同。

由于滩地植被密度较大，从图5(d)中可以看出滩地流速最大值位置下降较大，而主槽区流速最大值位置保持不变。

当滩地植被淹没(如图5 (e)和(f))后，其最大值分布情况有所不同；当水流刚刚淹没植被时，其最大值几乎就在滩地床面附近，随着水深的增加，滩地最大值位置逐渐上升最后停留在水面附近。

这是因为植被顶端以上的水流不再受植被拖曳力影响，而滩地植被密度较大时，植被顶端可以被认为是新的“床面”，因此，其最大值位置才比较接近水面。

通过分析复式河槽系列水槽试验资料可以获得如下结论：
1)在没有植被的复式河槽中，滩地流速的最大值基本都在水面附近，而主槽的最大值位置都在水面以下；
2)当滩地有非淹没植被且密度较小时，滩地流速最大值仍然在水面附近，而主槽的最大值分布几乎与没有植被时相同；当滩地植被密度较大时，滩地流速最大值会向床面靠近；
3)当滩地植被刚被淹没时，滩地流速最大值位置就在床面附近，随着水深的增加，最大值的位置也逐渐向水面靠近并最终保持在水面附近；
4)总的来看，滩地植被对断面流速的影响较大，因为滩地植被的存在，植被产生的拖曳力使得主槽的流速明显增大而滩地流速显著减小。

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[1]I Nezu，Wolfgang R.Open-channel flow measurements with a laster Doppler anemometer[J].Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1986，112(5):335-355.
[2]A H Cardoso，G Gust.Uniform flow in smooth open channel[J].Journal of Hydraulic Research，1989，27(5):603-616.
[3]胡春宏，倪晋仁.矩形明渠中断面紊流流速分布规律的初步研究[J].水利水运科学研究，1988(2)：27-36.
[4]袁建忠，惠遇甲.新的二位流速分布式[J].水利水运科学研究，1991(2):133-140.
[5]A Tominaga，I Nezu.Turbulent structure in compound open-channel flows[J].Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1991，117(1)：21-41. [6]吉祖稳，胡春宏.漫滩水流流速垂线分布规律的研究[J].水利水电科技，1997，28(7)：26-32.
[7]Huai Wen-xin，Chen Zheng-bing，Han Jie.Mathematical model for the flow with submerged and emerged rigid vegetation[J].Journal of Hydrodynamics，2009，21(5)：722-729.
[8]Huai WX，Zeng YH，Xu ZG，et al.Three-layer model for vertical velocity distribution in open channel flow with submerged rigid vegetation[J].2009，(32)：487-492.
[9]Kejun Yang，Shuyou Cao，DW Knight.Flow patterns in compound channels with vegetated floodplains[J].Journal of hydraulic engineering，ASCE，2007，133(2)：148-159.
[10]杨克君，曹叔尤，刘兴年.植被作用下的复式河槽流速分布特性[J].力学学报，2006，38(2)：246-231.。