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含植物河道水动力学研究进展 PDF转Word文字

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发布时间:2013-09-16 08:00   浏览次数:

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 水科学进展 ADVANCES IN WATER SCIENCE



含植物河道水动力学研究进展
吴福生、王文野2,姜树海1
(1.南京水利科学研究院水文水资源及水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029;
2.北京市水利规划设计研究院,北京100044)
摘要:提出了基于河道管理、河流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,强调了含植物明渠水 动力学研究的重要意义。从含植物水流的时均阻力特性、紊流机理的物理模型试验研究及数值模拟计算研究等几 方面,深人介绍了国内外关于含植物明渠水动力学研究进展。指出:必须进一步解决对柔性植物枝叶形状及柔韧度 的相似模拟;建立柔性植物的刚度、水流特性及阻力特性之间的定量规律;进一步研究含植物水流各向异性的紊流 特性;发展更为精细的大涡数值模型来研究水深较大的复杂的各向异性紊流等有待于深人探讨的问题。
关键词:含植物河道;水动力学;河流修复;曼宁糙率系数;紊流特性;大涡模拟 中图分类号:TV131.2; G353.ll 文献标识码:A 文章编号:1001-6791(2007)03-0456-06
目前人们在河流的开发管理上愈来愈重视可持续发展,强调在健康的河流生态系统中人与自然的和谐共处。 从事河流管理及河流生态修复的科学工作者认为应将天然河流视作复杂的动力系统,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。因此,生长在河道中的植物就成为河流动力系统的基本要素之一。 植物在河道中构成了水中生物的生境,同时也形成对水流阻力,使河道的水位升髙,降低其过流能力。必须确定 含植物河道的阻力机制及紊流机理。但其非常复杂,不仅与河道的形状、水位及流量等有关,而且与植物的种 类、韧性、密度及形状等特性有关。目前,愈来愈多的科技工作者从事这一应用基础研究。该项研究不仅为河道 行洪能力的设计、管理及河流的生态修复提供科学依据,而且对水底生态学、水文学、水力学以及紊流力学等具 有重要的基础理论意义。近年来,我国社会经济的快速发展,但也面临洪涝灾害频繁、水环境污染愈来愈严重等 问题,越来越重视生态河流的建设,开展含植物河道水动力学研究具有重要的经济和社会意义。
1国外研究概况
1.1含植物明渠的时均水力学特性研究
基于行洪安全考虑,需确定河道的泄流能力,必须研究含植物河道的阻力特性。早在1926年,美国就开 始了研究。早期的研究都是通过水槽试验并结合原型观测,用传统的测试手段,将植物简化成刚性圆柱体(类 似树干),将水流视为恒定均匀流来研究其阻力特性,总结计算阻力的半经验公式。Hsieh[1]和U&Shen等[2]在 矩形渠道中研究圆柱后的波来检验大树对水流阻碍的影响,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。但以往的研究限于研究淹没刚性植物的阻水特性而未对非淹没刚性植 物的阻力特性及流速分布进行深人研究,尚未对刚性植物在淹没与非淹没条件下的阻力机理建立一定的联系。
当水流流经柔性植物时,植物沿流向发生弯曲和摆动现象。Ree和Palmer[3]指出,植物淹没弯曲后,看上 去就象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。因此水流和植物的柔韧度是决定特定植物对水流的阻力时是主要参数。化㈣⑶等卜81对含柔性植物的水
收稿日期:2006-02-27;修订日期:2006-05-10
作者简介:吴福生(1963-),男,安徽池州人,高级工程师,博士研究生,主要从事水工水力学与环境水力学研究。 E-mail: fswu8223@ 126.com
流阻力问题进行了试验研究,并提出了柔性植物和水流的相互影响。Faith-Maghadam和N.Kouwen[9]对柔性且不 淹没于水下的西洋杉和松树进行了定性的无量纲研究,将所有与水流阻力有关的参数罗列起来,若流动限于缓
流和充分发展的紊流时,最后得到:-/4(^),其中G为拖曳系数;^为每棵植株所占面积;.4
= <pA0,且4/a反映了植物密度的影响;p为树叶的偏转角度;h为水深;%为树木平均高度;^为水的密 度;F为流速;/为刚度。该方程只是给出了植物产生阻力与植株参数、水流参数之间的定性关系,各量之间 的定量关系仍需进一步研究。然而,在室内研究中一直未能很好地解决对柔性植物枝叶形状及柔韧度的相似模 拟;以往的很多研究往往忽略植物的韧性,未能将柔性植物的刚度、水流特性及阻力特性建立定量的规律。同 时,也未能结合实际情况将刚性植物与柔性植物相混合来研究其阻力规律特性及紊流特性。
1.2含植物明渠的紊流特性研究
河道中的植物不仅在河道管理方面,而且在水环境、动物的生境方面具有重要意义。生长在河道与岸边的 植物对河道水流的平均流速分布、雷诺应力分布、二次流以及含有植物与无植物交界处的水平涡的相干结构有 很大的影响。现代科技工作者从河流生态修复的理念出发,愈来愈注重研究含植物水流的紊流机理。而现代先 进的测试手段ADV、LDV及PIV等的出现,为该项研究提供了有力的保证。对于含植物水流的紊流机理的研究 成果,不仅为河流生态修复提供科学依据,也为含植物水流的精细数值模拟积累了可贵的第一手资料。
Nepf H.M和Vivoni E 认为柔性水生植物决定了含植物水流特性及其紊流结构,并且控制着泥沙及污 染物的输移规律。位于植物上方称为“垂直交换区”,紊流进行垂向交换,维持动量平衡;植物顶部流速突变 产生剪切应力,导致紊流发生。植物内部称为纵向交换区,该区水流运动主要以沿纵向水平对流为主。紊流主 要由植物扰动、阻力与压力梯度产生。当植物处于非淹没状态时,紊流主要以水平纵向交换为主;当水深加 大,植物处于淹没状态时,植物顶部出现垂向紊动交换,且随着水深加大,垂向动量交换范围加大,愈来愈深 入到植物内部。当水流流过淹没的柔性植物时,产生波动,被视为边界层的一部分,植物对水流的阻力可视为 河床阻力的延伸。但M.Ghisalberti和NePfH.M[u]认为,水流流过淹没的柔性植物时,产生波动,更像混合层。 特别发现垂向平均流速分布包含一不稳定点,使得水流出现Kelvin-Helmholtz不稳定性。这一不稳定性导致混合 层内出现大尺度的相干涡,控制了混合层中动量的垂向输运。在水平方向上,由于相干涡导致柔性水生植物相 干波,沿水平向波动推进,这就出现所谓的monami现象。出现monami现象后,紊流的垂向动量交换加强,剪 切应力穿人至植物层内沿深度方向增加30%。可是,以上研究并未揭示出淹没的柔性植物产生的紊流的垂向 交换与沿流向的水平交换而产生能量损失的定量规律,以及由此而造成的对水流阻力的贡献。

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