植被作用下的復(fù)式河槽流速分布特性.docx

1、第38卷第2期力學(xué)學(xué)報(bào)Vol.38,No.22006年3月ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanicsMar.,2006植被作用下的復(fù)式河槽流速分布特性0楊克君劉興年9曹叔尤-拾兵t張之湘，（四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610065）t（中國海洋大學(xué)，者島266071）摘要通過水槽試驗(yàn)，探討了不同灘地植物（喬木、灌木和野草）對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響.詳細(xì)地介紹試驗(yàn)過程及三維流速儀ADV的測最原理.試驗(yàn)時(shí)，選塑料吸管、鴨毛和塑料大草分別模擬喬木、灌木和野草.同時(shí)，考慮了流地、床面底坡對(duì)流速分布的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，灘地未種樹

2、的復(fù)式河槽在大的相對(duì)水深時(shí)，流速滿足對(duì)數(shù)分布；灘地種樹后，主槽流速增大，流速分布復(fù)雜，灘地流速'獨(dú)小，呈S形分布，不同植物的S形分布是不同的.這種S型分布將水流劃分為3個(gè)區(qū)的復(fù)雜行為，每區(qū)的范圍與水深，垂線位置和植物類型有關(guān).床面坡度對(duì)流速分布的影響非常明顯.關(guān)鍵詞復(fù)式河槽，灘地種樹，流速分布，梢物類型中圖分類號(hào)：TV133.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0459-1879（2006）02-024&05引言復(fù)式河槽大童存在于沖積河流中F游，它在許多方面不同于單一河槽.流量小時(shí)，水流在主槽運(yùn)動(dòng)；流量大時(shí)，水流漫灘.由于斷面形態(tài)的變化和灘槽阻力的差異，灘槽交換區(qū)水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及流速、雷

3、諾應(yīng)力、床面剪切應(yīng)力分布等都明顯不同于-單一河槽.結(jié)果，復(fù)式河槽的輸沙規(guī)律明顯不同于單一河槽.因此，研究復(fù)式河槽水沙復(fù)雜行為不僅具有理論價(jià)值，還有其實(shí)際應(yīng)用意義.許多學(xué)者已認(rèn)識(shí)到復(fù)式河槽許多特性不同于單一河槽，為此做了大量的試驗(yàn)研究和理論分析.Knight試驗(yàn)研究了復(fù)式河槽的水力學(xué)特性.Knight等回發(fā)現(xiàn)灘槽交界面存在強(qiáng)烈的動(dòng)量交換.Tang等圖比較和分析了計(jì)算過流能力的傳統(tǒng)計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)這些方法不適合于復(fù)式河槽水力計(jì)算.Myers等（可分析了傳統(tǒng)方法產(chǎn)生大量誤差的原因.針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足，Ackers【Shiono等，Wormbaton等同，Shao等倒提出了估算過流能力的各種方法.但他們

4、的研究主要是針對(duì)灘地沒有植物的情況.實(shí)際上在天然復(fù)式河槽中，由于灘地長期不過流，一般都長有不同類型的植物.這些植物對(duì)水流過流能力的影響如何，對(duì)流速分布影響如何？關(guān)于灘地種樹，國內(nèi)外學(xué)者也做過一些研究，Huang等【1?！亢虳arby等凹分析了灘地植物對(duì)水流阻力及過流能力的影響，Naot等Ml討論了灘地植物密度對(duì)漫灘水流的復(fù)雜響應(yīng)，Thornton等【切建立了灘槽交界面表觀切應(yīng)力的表達(dá)式.灘地種樹這方面的研究國內(nèi)外做得很少，即使研究植物一般也很少涉及到不同類型的植物，如喬木、灌木和野草，對(duì)流速分布的影響.為此，本文旨在通過水槽試驗(yàn)，分析不同類型的植物（喬木、灌木和野草）以及床面坡度對(duì)復(fù)式河槽流速

5、分布的影響.1試驗(yàn)概況系列試驗(yàn)是在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)水槽中進(jìn)行的.水槽長16m,寬0.3m,高0.4m.槽首設(shè)有進(jìn)水閥門,水流經(jīng)過雖:水堰（三角堰）跌入靜水池后流入水槽.靜水池內(nèi)設(shè)有消能柵，靜水池與水槽之間由橡皮連接，以利調(diào)節(jié)水槽坡度.槽尾設(shè)有一平板閘門，調(diào)整平板閘門開度可控制水位，從而獲得均句流.當(dāng)水面比降與床面坡度相等（比降誤差控制在2%之內(nèi)），則認(rèn)為水流為均勻流.水槽導(dǎo)軌上安置多普勒聲速二維流速儀（ADV）測量支架及測針架.2004-12-14收到第1稿，200512-20收到修改稿.1) 國家自然科學(xué)基金(50579040,50579041),國家973

6、計(jì)劃(2003CB415202)資助項(xiàng)目.2) E>mail:liuxingnian©247試驗(yàn)時(shí)，用三角堰測流量，用測針最測水深，用ADV測三維瞬時(shí)流速.ADV測速的原理"句是Doppler效應(yīng)floppier=-2尺ourcc（Vr/*）（1）式中，Doppler為接收頻率的變化（Doppler效應(yīng)）,Source為發(fā)射頻率，崎為聲速，咋為聲源與接受器之間的相對(duì)速度.由探頭發(fā)射超聲波，遇到控制體后反射，并由接收探頭（ADV三維流速儀共3個(gè)接收探頭）接收反射的信號(hào).因此，ADV測量的實(shí)際是控制體與發(fā)射探頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度.當(dāng)控制體的微顆粒太小時(shí)，反射回來的信號(hào)太弱，信

7、噪比就比較小，因此保證一定數(shù)量的顆粒濃度，且有較好的隨機(jī)性.對(duì)于灘地植物，作者選塑料吸管、鴨毛和塑料大草分別模擬喬木、灌木和野草.模型植物種植在距水槽槽首8.2m和11.2m范圍內(nèi)，交錯(cuò)種植.測量斷面位于距槽首9.6m處,在測量流速時(shí)，作者布置了10條垂線（如圖1）,每條垂線橫坐標(biāo)依次為4,6,8,11,14,17,19.5,22,24.5,26.5（cm）.當(dāng)測點(diǎn)到床面的距離小于5mm時(shí)，通過微調(diào)保證測點(diǎn)間隔為1mm;大于5mm時(shí)，測點(diǎn)間隔依水深而定，分別為2.5mm,4mm,5mm,對(duì)于同一個(gè)流量，測點(diǎn)間隔相同.同時(shí)選用了兩個(gè)床面底坡，即1.25%o和0.1785%o,考慮不同底坡對(duì)流速分

8、布的影響.對(duì)于相同的底坡和相同植物，至少選用3個(gè)流量（Q）即10.951/s,14.111/s和17.721/s.但對(duì)于個(gè)別情況，考慮了一個(gè)更大的流量22.211/s.復(fù)式河槽用非均勾天然沙構(gòu)筑而成，床面用水泥抹光.復(fù)式河槽灘槽分別寬8cm和13cm,主槽邊坡系數(shù)s=1.5,如圖1.U八'a(b)y=8cm(c)y17cm圖1非對(duì)稱夏式河槽斷面形態(tài)Fig.lCrosssectionofanasymmetriccompoundchannel(d)y=22cm2流速分布圖2反映了灘地植物垂線流速分布的影響.這里選用的流最為17.721/s.分析流速分布時(shí)，采用兩個(gè)無毋綱數(shù)，即相對(duì)流速和相對(duì)

9、高度.圖中為斷圖2不同位置垂線流速分布(So=1.25%.,<?=17.721/s)Fig.2Verticaldistributionofpointvelocityatdifferentlocations,withSq=1.25膈、Q=17.721/sy/cmCD矽40.15961.21290.910080.21751.32120.9474170.23591.29670.9659220.21371.27200.9661衰1式(4)中系數(shù)C,D(灘地?zé)o植物的情況)Table1CoefficientsCandDinEq.(4)forthecaseofnon-vegetatedfloodpla

10、inwithQ=17.721/s15heightofarbor63U/(cmT)012E9(a)喬木(a)ArborQ(l/s):10.9514.1117.7222.21So=1.25滄So=0.1785%«.U/(cm-8-1)60(b)潘木(b)Shrub面平均流速.在這些圖中，考慮了4個(gè)不同的位置，即y=4cm,8cm,17cm和22cm,也就是主槽中心，主槽邊坡起點(diǎn)，灘槽交界處，灘地中心附近.圖中實(shí)線為對(duì)數(shù)擬合曲線.對(duì)于充分發(fā)展的二維湍流，垂線平均流速可以采用如下方程表示式中，U為點(diǎn)流速，。為局部摩阻流速，人為卡門常數(shù)，今為測點(diǎn)到床面的距離，為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù).令U.=a(y)V

11、A,式(2)變?yōu)閁.1.zp汀*血)尹廁+a(g)：In+a(y)c(3)式中，H(g)位于g處的局部水深.令C=a(g)=D=a(g)=ln+a(g)c,則式為“g=Cln(Hr)+O(4)式中，Hr=*，為相對(duì)高度"(g),因此，式(4)和式(2)是等價(jià)的.如果流速滿足對(duì)數(shù)分布，采用式(2)或式(4)描述都是一致的.圖2中的曲線都是根據(jù)式(4)擬合而成的.對(duì)于灘地?zé)o植物的情況，方程式中系數(shù)C和。分別見表L從表1可以看出，如果灘地沒有植物，其流速滿足對(duì)數(shù)分布.對(duì)于斷面不同位置，系數(shù)C和。近似為某一常數(shù).從圖可以看出，灘地種樹后，主槽流速增大，而灘地減小.增加或減小的程度與植物類型和

12、灘地水深有關(guān).灘地流速減小程度實(shí)際反映植物對(duì)水流的阻力大小.不同的植物對(duì)水流的阻力是不同的.對(duì)于3類灘地植物，復(fù)式河槽流速分布基本上不滿足對(duì)數(shù)分布.在主槽區(qū)，受交互區(qū)水流影響較小的地方，流速分布近似于對(duì)數(shù)分布；離灘槽交互區(qū)越近，受其影響越大，流速越趨向S型分布.在灘地區(qū)，流速服從S型分布.尤其在灘槽交區(qū)，這種S型最為突出.對(duì)于不同的植物，這種S型分布是有別的.總體而言，野草的S型分布最為明顯.這種S型分布將水流劃分為3區(qū)的復(fù)雜行為，每區(qū)的范圍與水深，垂線位置和植物類型有關(guān).圖3反映了主槽底坡對(duì)灘槽交界處垂線流速分布的影響.這里考慮了兩個(gè)底坡，即So=1.25%o和0.1785%o；以及4個(gè)流量

13、，即(?=10.951/s,14.11l/s,17.721/s和22.211/s.從圖3可以看出，隨著床面底坡的減小，水流中同一點(diǎn)的流速減小.對(duì)3類植物，灌木流速減小得最為明顯.盡管床面底坡不同，但流速分布是相似的，即流速滿足S型分布.與此同時(shí)，可以很明顯看出流速分布受兩個(gè)邊界層的影響，即床面和植物頂端.不同的植物頂端位于水流復(fù)雜行為的不同區(qū)域，草和喬木的頂端位于水流第3區(qū)，而灌木頂端則位于2區(qū)與3區(qū)的分界處.圖3也反映出不同的植物對(duì)水流的阻力是不同的.Q(l/s):10.9514.1117.7222.21So=1.25%»,So=O.1785“圖3灘槽交界面流速垂線分布Fig.3V

14、erticaldistributionofpointvelocityfordifferenttypesofvegetation,atthelocationofy=17cm10.9514.1117.72meanheightofgrass20region2region1Q(1/。)：So=1.25%.56=0.1785%.U/(cm-fi-1)region315(c)野草圖3灘槽交界面流速垂線分布(續(xù))Fig.3Verticaldistributionofpointvelocityfordifferenttypesofvegetation,atthelocationofy=17cm(continu

15、ed)3結(jié)論通過灘地有無植物的復(fù)式河槽水流結(jié)構(gòu)的水槽試驗(yàn)，可以獲得：(1) 在大的相對(duì)水深時(shí)，如果灘地沒有植物，其整個(gè)斷面垂線流速滿足對(duì)數(shù)分布.這種分布可以用相對(duì)流速與相對(duì)高度來描述.對(duì)于不同的流最和斷面不同的位置，對(duì)數(shù)公式(4)中的系數(shù)C和。分別趨于某一常數(shù).(2) 在灘地種樹后，主槽流速分布特性復(fù)雜，而灘地流速呈S型.這種S型分布將水流劃分為三區(qū)的復(fù)雜行為，每區(qū)的范圍與水深，垂線位置和植物類型有關(guān).但不同植物的S型分布是有差異的.通過比較發(fā)現(xiàn)，灘地種樹后，主槽流速均明顯增大而灘地明顯減小.不同的植物對(duì)水流的阻力是不同的，總體而言，草對(duì)水流的阻力最大.參考文獻(xiàn)1 KnightDW,Shion

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22、NS】)YangKejun*LiuXingnian*CaoShuyou*ShiBingReceived14December2004,revised20December2005.TheprojectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(50579040,50579041)andtheNationalKeyBasicResearchandDevelopmentProgramofChina(973Program)(2003CB415202).E-mail:liuxingnianOZhangZhixiang*(StateKeyLab

23、oratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)(OceanUniversityofChina,Qingdao266071,China)AbstractTheauthorsexperimentallystudiedthevelocitydistributionofflowsindifferenttypesofvegetationssuchasarbors,shrubsandgrass.TheexperimentalproceduresandtheprincipleofADVformeasuringthelocalvelocitiesaredescribedindetail.Forvegetationsonthefloodplain,theauthorschoseplasticgrass,duckfeathersandplasticstrawsasmodelgrass,modelshrubsandmodelarbors,respectively.ADVwasusedtomeasureth