含植物明渠的水动力学研究进展.pdf

·330． 中国水利学会第二届青年科技论坛论文集 含植物明渠的水动力学研究进展 吴福生1’2姜树海1 (1．南京水利科学研究院 南京 210029； 2．水利部水科学与水工程重点实验室 南京 210029) 【摘要】本文提出了基于河道管理、生态修复与水资源可持续发展的含植物明渠水动力学研究理念。深入 介绍了国内外关于含植物明渠水动力学研究方法、研究手段及研究进展，分析了研究中存在的不足之处，提 出了有待进一步深入探讨的问题。 【关键词1含植物明渠河流修复 水动力学 曼宁糙率系数 紊流特性 1前言 在健全的生态系统中人与自然是和谐的，水体与生物群落相互依存、相互作用，形成 了江河湖泊的自净能力。人类改造自然的活动在满足人们各种不同需求的同时，还应满足 水域生态系统完整性、依存性的要求，恢复与维持洁净的水环境。 最近在世界范围内，人们在河流的管理上愈来愈重视生态修复及恢复自然的可持续发 展。从事河流生态修复的科学工作者认为应将天然河流视做复杂的动力系统，它不仅包括 无生命物质(水流、泥沙)，而且包含有生命或生物组成部分。基于这一观点，生长在河道中 或河边的植物就成为河流动力系统的基本要素之一。近年来我国社会经济快速发展，但也 面临洪涝灾害频繁、水环境污染愈来愈严重的问题。为了维持社会经济的可持续发展，我 国越来越重视生态河流的建设，提倡人与自然和谐相处，注重河流生态一生物修复技术的 研究与应用。因此，开展含植物明渠流水动力学研究具有重要的经济和社会意义。 自然界众多河流的岸滩上总是或多或少地种植有植物。对于从事洪泛区管理、河道整 治及河流修复的工程师来说，就要了解植物对水流的作用及含植物水流的紊流机理。植物 在河床表面形成了一柔性的阻水覆盖，构成了水中动物的生境；形成对水流的阻力，使河 道或部分河道水流能量转换成紊流脉动动能，消耗了水流动能。植物的存在增大了河床对 水流的阻力，使河道的水位升高，减小了河道的过流能力。因此，必须确定含植物河道的 流速分布与河道的泄流能力。 明渠中植物的阻水机理及水流紊流特性非常复杂，不仅与河道的形状、水位、流量等 有关，而且与植物的种类、韧性、密度及形状等特性有关。植物种类繁多，有各种树木、 灌木、草；水生植物有挺水植物、沉水植物等。这就使得含植物渠道的水动力学研究更加 复杂。目前，世界范围内愈来愈多的科技工作者从事植物阻水机理及紊流特性的应用基础 研究，它不仅为河道行洪能力的设计、管理河流水质净化、环境污染治理、生物治河工程 规划、河流修复提供科学依据，具有很高的实际应用价值，而且，它对水底生态学、水文 四、水力学、河流动力学 ·331· 学、水力学以及紊流力学等具有重要的基础理论意义。 2国外研究概况 2．1 植物阻水特。胜的研究 基于河流的行洪安全需准确预测河流的泄流能力，必须对植物阻水特性进行研究。早 在1926年，美国就开始了水生植物的阻力特性的研究，注意到植物阻水特性与水深及植物 生长状况有关。想要发展一种能有效估算渠道，特别是湿地与洪泛区植物对水流的阻力方 法，这一问题的关键就是对植物的附加阻力进行量化。过去进行了大量的现场及室内试验， 研究含植物的阻力参数如阻力系数及曼宁糙率系数胛的值，研究植物高度、密度及刚度对 阻力系数及曼宁糙率系数n的影响。这些研究成果形成了计算阻力的半经验公式，适用于 计算总体水流参数及流速分布。 早期的研究都是基于水槽试验研究结合原型观测，用传统的测试手段，将植物简化成 刚性圆柱体(类似树干)来研究其阻力特性，其模拟材料可用黄铜棒、青铜棒及木棒等，试验 时只要不弯曲，似刚性的即可，比较简单，将水流视为恒定均匀流来进行研究。Hsieh(1964)[1】 试验结果表明，流速的减小受种植密度和排列模式的影响，水流阻力随植物密度的增加而 增加。 当水流流经树冠和淹没水生植物时，植物沿流向要发生弯曲和摆动现象，此时植物应 弯曲后，看上去就像用梳子梳理过一样整齐，因此水流流经柔性植物的渠道实际上就是一 个动边界问题。植物弯曲时，边界的糙率降低了很多。植物抗弯曲的程度取决于相互之间 的柔韧度和密度，同时植物对水流的阻力决定其弯曲量。因此，流动的水和植物的柔韧度 在决定特定植物对水流的阻力时是主要参数，然而以前的很多研究往