有植被河道水流特性研究进展

王莹莹赵振兴

（河海大学 环境科学与工程学院 南京 210098）

摘要：近年来，生态修复一直是学者探讨的热门课题，河岸种植植被能固滩固岸，保护岸坡不受侵蚀，但也有专家提出植被会降低河道的泄洪能力。如何布置，使植被更大限度地发挥“固滩护堤”的作用，是生产实际中提出的新问题。于是研究植被对水流特性的影响越来越重要。本文详细回顾了前人对有植被河道水流特性问题的研究状况，综合评述了已有研究的局限性，提出今后研究的重点与方向。

关键词：生态护岸河道 刚性植被 柔性植被

1. 背景

河流的开发利用带来了一定的经济效益，为经济的繁荣做出了很大的贡献。但与此同时，也带来了不少负面影响，许多河道的岸坡受到不同程度的破坏，生态也严重受损，导致了河流的行洪能力大大降低，洪灾总体风险不断增加，城市洪涝灾害的发生日渐频繁且强度加甚。

这种人为造成的自然灾害不得不越来越引起人们的广泛关注，于是乎近年来河道的生态修复已提上日程并在许多实际工程中得到应用，也已经普遍得到专家人士的认可。其中，植物护坡技术在国内外堤防工程中更是被广泛采用。河岸种植植被，植被的根系可以保护土壤，防止水土流失，能切实可行地做到“固滩固岸”，保护岸坡不受侵蚀。采用种植植被护坡技术投资少，技术简单，又可以绿化自然，美化环境，有利于生态的良性循环。此又可谓之“生态护岸工程”，生态护岸能达到加固河岸，防止河道淤积、侵蚀和下切的目的。然而，另一方面，我们还不得不考虑到，水中种植植被增大了河流的阻力，减缓了河流的流速，导致河道水位的攀升，甚至引起部分泥沙的淤积；另外，河道水流部分能量被迫转换成植被附近产生的紊流脉动动能，使水流动能得到消耗。从这方面考虑，种植植被则降低了河道的泄洪能力。因此，我们要从各方面综合考虑这种植物护坡技术的可行性，分析其利弊，因地制宜，找出最合理的种植植被的方案，使其扬利除弊，更好地发挥作用，保证行洪的安全，并能起到保护生态环境的作用。这正是生产实际中面临的新问题，因此，弄清河道中种植植被对水流的阻力影响、水流的紊动结构等是非常有必要的。

2. 国内外研究进展

有植被的河道水流问题是一门多学科交叉问题，该项目涉及到水流、植被、泥沙、地貌、河道演变、水土流失以及环境生态等诸多领域。研究有植被水流的紊流结构，对河道中泥沙的输运与沉降、河床的淤积与堤岸的侵蚀、河道中污染物的扩散以及生态环境的优化都有很重要的现实意义及其广阔的应用前景。因此，对种植植被的河道水流特性的研究

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河道中植被对水流的影响是特殊而且复杂的，植被的类型很多，有低矮的柔性叶片草，有密集茂盛的灌木丛，甚至还有枝干坚硬的高大树木，各种不同植被的形状、密度以及淹没状况等对水流的紊动结构的影响都不尽相同。而且，千变万化的河道断面形状也对水流形态有较大的影响。也正是由于有植被的河道水流问题的交叉与复杂性，所以国内外对此研究也只是刚刚起步，而且很粗浅，有待于进行更深入的研究。

到目前为止，有植被河道水流特性的研究主要集中在流场模型实验和数值模拟两个方面。

2.1 流场模型实验方面的研究

植被的类型根据枝干的柔韧程度可分为刚性植被（如高大坚硬的树木）和柔性植被（如柔弱纤细的小草）。不同类型、不同密度的植被其水流的特性也存在差异。流体力学上，最早对水流流经有植被区域物理性质的研究是针对恒定均匀流流经硬管的简单情况所做的研究，所以最初对流经有植被区域的水流的研究都没有考虑到植被的弯曲，一律将植被视为刚性体。例如，在二十世纪六、七十年代，Hsieh.T[1]以及此后的Li和Shen[2]在矩形渠道中用圆柱体的木墩模拟大树研究分析树木对水流的阻力作用，得出种树密度与树的排列方式影响水流速度的结论。后来，Dunn,Lopez以及Carcia[3]用硬度不同的圆棒代替植被也在矩形渠道中进行实验研究，结果表明植被密度的增加会引起水流阻力的增加。

2.1.1 国外研究概况

此外， Sylvester Petryk[4]等人选取了小麦和高粱两种植被的模型进行了水流通过植被的模拟试验，分别从流速分布、流阻特征等方面进行比较分析，指出植被的密度是影响流阻的一个重要因素，并建立了不同水深方向上的曼宁系数的计算公式，但此公式有待于后来的验证。Cheng-lung Chen和M.ASCE[5]对有天然草皮覆盖的浅水流阻问题进行了试验研究，选取了“Kentucky Blue grass”和“Bermuda grass”两种适宜在浅水域中生长的草进行实验分析，得到了有草皮覆盖的浅水河道的达西－韦斯巴赫粗糙系数与雷诺数的f-R关系曲线图。此研究中建立的函数关系同样实用于与此两类草具有相似密度及相似粗糙度的其它类型的草皮。为我们以后研究植被对河流流阻的影响提供了一定的依据。

长期以来，人们只是把植被作为刚性体进行了大量实验研究，很少有人关注柔性植被，而实际上河道中大量的水草及其它部分水生植物（如挺水植物芦苇等）都是有很大韧性的，这些植物即使是在很低的流速下也会发生“摆动”现象，摆动的发生正是柔性植被的一大性征的体现。这是早在1939年Cook和Compbell就提出来的，后来才陆续有学者对淹没的草、柔性窄条以及树冠对水流的影响进行实验研究。水流流经柔性植被，植被的弯曲流线化以及波动现象都是非常明显的，然而，以前的很多研究往往忽略韧性（即植被偏转对水流的作用）。Fathi-Maghadam和Kouwen[6]指出，将河岸植被都看作是刚性的，就会导致流速和阻力关系产生很大的错误，并提出了估算针叶松类植物的水流阻力的方法，Kouwen等[7~8]指

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[9]进一步指出，植被的柔韧度和密度决定了植被的弯曲程度，而此弯曲量又决定了植被对水流的阻力，因此，植被的韧性及密度成为植被对流阻影响的主要参数。他还指出，植被弯曲时，边界糙率降低，所以水流流经柔性植被实质上是一个动边界问题。Fisher[10]也认为植物对水流的阻力与植物类型、密度、硬柔、高度、阻水面积和植物分布有关。

之后，Syunswke Ikeda和Minoru Kanazawa[11]用尼龙纤维模型模拟柔性植被，进行室内研究，发现水流在植被附近产生涡旋，在植被顶端时均流速显著变化，而且紊动强度和雷诺应力都在该处达到最大。Kutija和Hong[12]用最基本的一维垂向混合模型研究柔性植被对水流阻力的影响因素，但始终没能很好地解决影响因素定量化的问题。因此，在实验室水槽中对柔性植被的物理特性及对水流的影响进行进一步测试的基础研究还是很有必要的。

早在1948年W.O.Ree[13]在芝加哥的美国农业工程冬季会议上就提出，河道中覆盖的水草会对影响行洪安全，故建议控制水草生长态势，要按时收割。此后，随着水污染问题的日益严重，人们越来越认识到水生态环境的重要性，但是全球相当一部分的河流湖泊已受到污染，于是河流的生态修复已成为全人类共同关注的问题。此时，植被对水流的影响已不仅仅停留在防洪角度上，许多学者都把植被问题同环境生态、水土流失等方面结合起来研究。日本名古屋大学的TETSURO TSUJIMOTO [14]在1999年指出河道的管理中，植被在环境方面的影响也起到一个关键作用，要同人们以往认识到的它在防洪、水资源利用上的作用一样引起重视。所以植被对河床演变带来的影响更是不容小觑。他还建立了一个二维的平均水深模型来描述有植被河道的泥沙输移概况，并且分析了有植被区域的河槽刷深变化，为今后的研究提供了一定的理论依据。

之前，大多研究者关注的只是矩形或者梯形断面的渠道水流的研究，后来国内外陆续有学者曾对有滩地的复式断面渠道水流特性进行研究。1985年，Pasch和Rouve[15]对滩地有植被的复式断面水流问题进行了研究，采用带有河滩漫地主槽为梯形的物理模型，滩地种植植被且非淹没，用断面分割的方法建立一维数学模型模拟有植被的河道水流，得出结论：将水流简化为只有横向与纵向的二维物理过程，且把滩槽交界面视为一堵“墙”是合适的。他们并根据滩槽有动量交换部分纵向流速的横向分布的线型，分别用3次幂函数和对数曲线进行模拟，得出的公式涉及很多待定系数，给实际应用带来诸多不便。之后，Wark(1990年)通过简化连续方程和动量方程，得到计算复式断面河道单宽流量方程。Darby[16]（1999）也曾引用此方程来计算复式断面有植被水流问题。但由于该模型没考虑到滩槽水流之间的动量交换以及断面形状对水流的影响，并不能准确反映复式断面河道水流特性只可用作一般流量计算。

此外，Darby和Thorne[17]（1996）分析了滩地植物对水流阻力及过流能力的影响，Darby[16]（1999）还建立了估算不同类型植物的Darcy Weisbach阻力系数的方法；Thornton[18]（2000）等通过试验量化了主槽与植被滩地交界面上的表观剪切应力大小,认为表观剪切应力

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