柔性淹没植被河道水流结构研究与进展

水生植物是天然河道的重要组成部分,对河道的修复管理、河流湖泊的整治、水资源的可持续利用等具有重要意义。从理论分析、试验研究和数值模拟3个方面,总结分析了柔性淹没植被水流流速分布特性、水流阻力特性及水流内部紊动结构的研究与进展,提出了未来研究的方向和重点,对植被水流的进一步深入研究和河道水流生态功能的修复具有一定的指导意义。     

水生植被类型及淹没度对河道垂线流速分布影响试验研究

采用钢筋刚性材料和弹簧柔性材料模拟了不同类型的水生植被,通过概化水槽物理试验研究了水生植被类型、水生植被淹没度对水生植被对于河流流速垂线分布的影响规律。试验结果表明:不同淹没度条件下刚性植被和柔性植被对河流流速垂线分布影响规律相似性较高,流速垂线分布均展现出分层现象;但不同水生植被材质条件流速垂线分布的分层节点不同,这是由不同材质的水生植被与水流间力学作用机制不同导致的。     

植被群纵向间距对水流结构的影响研究

河道中植被群的空间布局对植被群的上下游水流特性和河床演变均会产生重要影响。为研究河道中植被群的不同布局对水流结构的影响规律，设计了定床水槽试验，试验采用PVC圆柱模拟两个相同的刚性非淹没植被群，设置4组不同的上下游植被群间距，通过研究水流的流速和紊动强度分布，分析在不同的上下游植被群间距下植被群上游水流调整长度和尾流的形成与发展过程，并与单个植被对水流结构的影响进行对比。试验结果表明：上游植被群的存在会使下游植被群前端调整区长度缩短，此长度与植被群间距无关；随上游植被群的出现下游植被群的溢出流速、尾流稳定区长度、稳定区流速均会减小，其大小均与植被群间距有关，间距越小各值越小；同时下游植被群尾流形成区长度变短，随间距增大呈现先减小后增大的趋势；且下游植被群的尾流恢复速度随上游植被的出现变的更加迅速；上游植被群的存在加剧了下游植被群尾流紊动，其变化趋势也与植被群间距有关；植被群对水流既有抑制作用也有促进作用，主要取决于植被群前端紊动强度大小。试验探究了植被群不同纵向间距对河道水流结构的影响，为河道中植被群空间布局对水流特性的影响提供了补充。     

模拟草被覆盖下坡面水流阻力特性试验研究

探究植被覆盖下的坡面流阻力特性对土壤侵蚀模型的建立有着重要意义。通过3个坡度、7个流量和10个草被覆盖度下的定床冲刷实验，系统分析坡面薄层水流的流型流态与阻力特性。实验结果表明，坡面水流流态受到草被覆盖度与坡度的综合影响，主要分布在层流区及过渡流区。通过等效粗糙度和坡面水流流动阻力规律，推导出等效阻力系数fe的计算公式，公式表明草被覆盖度是影响水流阻力的重要因素，fe值随覆盖度增加而整体增大，实验结果显示当覆盖度在0%～37.68%的范围内时，等效阻力系数始终小于1.5；而当覆盖度在56.52%～94.2%的范围内时，fe由0.697～3.042增长至2.440～14.393。淹没度及雷诺数对等效阻力系数的影响与覆盖度密切相关，覆盖度低于18.84%时，等效阻力系数随淹没度与雷诺数的增加而呈减小趋势；而当覆盖度高于65.94%时，等效阻力系数随淹没度与雷诺数的增加而以较大的速率上升。研究结果以期为水土流失综合治理提供理论支撑。     

复式分汊水槽分汊口水流运动特性

分汊型河道是一种广泛存在的河流平面形态。当河道宽广时，河道行洪断面极有可能形成复式断面形态。存在江心洲的河道在演变过程中，洲头分流段水流运动往往起到了极其重要的作用。江心洲分流作用叠加复式断面滩槽交互作用，将共同对分流分沙产生影响，最终影响到整个河道形态的演变。为探究江心洲洲头水流运动特性对复式分汊河道演变的影响，设计了复式分汊河道的水槽试验。试验结果表明，复式分汊河道中，江心洲前的单一复式段，垂线流速分布基本满足对数分布；分流段流速主要受分汊形态的影响；复式断面形态是分汊口主槽和滩地流速变化的主要影响因素；在复式分汊河道的整治防护中，要着重关注江心洲洲头以及两侧的冲刷和两汊流速差异导致的淤积与冲刷；当流量增大到某一特定值时，复式分汊河道的断面形态可简化为简单的矩形河道进行研究。     

生态潜坝对河流有机物质滞留影响实验研究

针对河流河道渠化造成流速增大,减少了有机物在河道中的滞留时间,影响河流的生态系统功能的问题,基于生态潜坝对河流生态修复的作用,依靠物理模型模拟了不同工况下具有生态潜坝和没有生态潜坝河道,统计分析了模拟渠化河道有机物质滞留比例、滞留系数和加权平均输移距离,得出生态潜坝对有机物的滞留的影响。     

田间曼宁糙率系数的推求

曼宁糙率系数是描述地表水流运动的重要参数之一,但目前对于特定地块表面糙率的确定尚没有一种理想的方法。本文提出了一种根据田间水流推进资料来计算曼宁糙率的新方法。该方法以水量平衡原理为基础,用迭代法求解。经在不同地区、不同土壤类型和地面状况的田间观测数据验证,结果令人满意。     

车削多面体运动的矢量建模及误差分析

通过矢量分析，选择了车削多面体运动的标架，建立了车削多面体运动的矢量模型，在此基础上给出了描述车削多面体运动的矢量表达式，建立了相对运动的矢量公式和刀尖轨迹的矢量公式。通过几何分析，建立了加工表面的直线度公式。实验验证了车削多面体运动的矢量表达式和加工表面的直线度公式。     

滩地植被化的顺直复式河道漫滩水流计算

利用二维数学模型对滩地植被化的复式河道漫滩水流的水深平均流速的分布进行了求解。通过恒定均匀流的假设,对主流方向上的沿水深积分的紊流时均运动微分方程式进行简化得到了相应的控制方程,其中引入植被对水流作用的拖曳力项,并考虑二次流的影响。同时将复式渠道划分为3个子区域,通过联立求解各区域微分方程中的定解系数,最终得到均匀流的条件下各区水深平均流速的横向分布的解析解。通过与试验测得的资料比较,表明计算结果与实测资料吻合良好。     

城镇河道的水生态环境建设和保护

河流除具有为生活和工农业生产就近供水、交通航运、泄洪滞涝等功能外,还具有生态环境功能。除因过于重视防洪而造成的河道渠化问题外,随着城市化建设的加快,工农业和生活污水的剧增,中小河道填埋的发生对城镇现有河道产生了很大的影响,加重了河道的水污染、频繁引发洪涝灾害。分析了城镇河道现存问题及其对环境生态的影响,在参考和总结国内外有关城镇河道整治经验的基础上,介绍了城镇河道生态环境建设中河道生态护坡和河岸植被缓冲带建设的作用,并探讨了生态护坡建设的不同形式。     

植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构的影响

【目的】分析植被茎秆倾伏角变化对明渠水流结构流态的影响,充分发挥河道水生植被功能以减缓河堤的侵蚀和水土流失的速率。【方法】建立明渠植被水流结构模型将水流液层在空间高度上分为植被层和自由层,在茎秆不同的变形状态下及流量范围内开展试验。【结果】(1)在同一茎秆倾伏角下,植被层Vv随水深h增加呈增加减少再增加最终趋于稳定的变化规律,自由层平均速度Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs随水深h的增大迅速减小后趋于稳定。(2)不同茎秆倾伏角下,植被层水力参数Vv、Rev、Frv在空间上表现出各向异性,自由层Vs、Res、Frs随植被倾伏角θ增大而减小,植被淹没临界水深h存在"滞后"现象。【结论】自由层的水流流速Vs、雷诺数Res、弗劳德数Frs均大于植被层;植被层水流流态为缓紊流,自由层水流流态从急紊流迅速过渡到缓紊流。     

不同黑麦草种植密度对坡面流的阻力特性影响研究

为探究植被覆盖下坡面流的阻力特性,采用理论分析与室内放水冲刷试验相结合的方法,分析了3种不同种植密度、2组坡度下黑麦草对坡面流阻力的影响,并初步探讨了一定条件下柔性植被的形态与坡面水流的相互作用。结果表明,当有植被覆盖时,糙率系数随雷诺数的增加基本呈先增加后减少再增加的趋势;糙率系数并非随密度增大而增大;坡度为5°时糙率系数与弗汝德数之间呈良好的幂函数关系,而坡度为10°时拟合度并不高;在弗汝德数相同时,糙率系数随着坡度的增加而减少。     

丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型

针对丘陵-平原-湿地复合地区降雨径流数值模型较少、而已构建的模型对水文要素空间分布和湿地区水流运动又反映不足,采用格子玻尔兹曼法和有限元法构建丘陵-平原-湿地复合区降雨径流数值模型。在模型构建过程中将复合区分为地势起伏较大的上游丘陵区和下游地势变化较小的平原湿地区。上游丘陵区降雨采用距离平方倒数法计算降雨空间分布、采用格子玻尔兹曼法建立非饱和区土壤水运动模型、利用达西公式建立饱和区水流运动模型、利用格子玻尔兹曼法构建汇流数值模型,进而构建了上游区的降雨径流数值模型。平原湿地区采用基于有限元四边形单元构建了水流运动数值模型。平原湿地区入口边界采用上游区降雨径流数值输出的流量过程,平原湿地区出口边界采用基于格子玻尔兹曼法的汇流模型计算的水位过程。四边形单元有限元求解水流运动方程实现了上、下游区的无缝连接,模型使用比较方便。以挠力河流域为研究对象进行了降雨径流和平坦区水流运动模拟研究,模拟结果良好,说明模型较为可靠。     

阻力形式对坡面流流速修正系数的影响

坡面流平均流速是建立坡面土壤侵蚀过程模型的基础参数,主要通过示踪法测定的水流表层流速乘以修正系数α获得,因此对α的合理取值是准确计算平均流速的关键。在收集和整理前人试验资料的基础上,利用室内水槽冲刷试验,研究了不同阻力形式(颗粒阻力、输沙阻力、植被阻力)对坡面流流速修正系数的影响。结果表明：坡面流流速修正系数随颗粒阻力、输沙阻力增加而减小,随植被阻力增加而增大,两者均可用幂函数表示;不同阻力形式主要通过改变坡面流流速分布影响流速修正系数,颗粒阻力和输沙阻力主要使流速梯度变大,而植被阻力主要使流速梯度变小。利用逐步回归分析给出了多种阻力形式作用下流速修正系数的预测公式,与实测值对比,吻合较好。     

边滩植被对复式河道水动力特性的影响

天然河道的滩地上广泛上存在着不同类型的植物，其存在对河道的水动力特性的影响受到了广泛的关注。基于Delft 3D软件，建立了复式河道边滩植被水流的数值模型，并以植被直径、高度、密度和生长位置为控制变量，研究这些变量对复式河道植被区纵向水面坡度、充分发展处垂向平均的纵向流速横向分布、和滩槽纵向流速偏差比等水动力特性的影响规律。结果表明，植被直径、高度和密度的增加都显著改变了纵向流速横向分布；滩槽纵向流速偏差比、水面坡度与植被直径为二次曲线关系、与植被高度为线性关系、与植被密度为对数关系；边滩和主槽内的水面坡度差异随着植被直径、高度和密度的增加；植被不对称生长会导致主槽区最大流速位置偏移。     

黑麦草密度对坡面水流阻力影响的试验研究

【目的】提高生态工程的水土保持效益,合理利用坡面植被挡蓄径流,减轻坡面工程土壤侵蚀。【方法】通过室内试验,模拟水流在不同密度植被覆盖下的坡面流动时水深及阻力的变化规律,详细描述坡面沿程水深规律并建立水深方程,研究阻力在整个坡面的分布及变化过程。【结果】①由坡面水深方程推求得出了水流所受坡面总阻力方程。②刚性植被与柔性植被在坡面阻流中对水流的阻碍作用不同,植被对坡面水流的阻力不随植被密度增大而增大,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。【结论】在治理低山丘陵区的水力侵蚀时,植被种植密度不宜过疏或过密,坡面植被存在最优种植密度,使阻水效果最佳。     

膜孔沟灌条件下地面糙率系数的测定

膜孔沟谁是在地膜栽培的基础上，结合传统为灌，改垄背铺膜为沟中铺膜，其水流在膜上流动，经股上的特定孔口入渗到作物根部附近的主体中。水流前锋行进速度增加，流程时间缩短，提高了灌水均匀度和灌溉率。膜孔沟蠢的松散边界大部分由地膜覆盖，边坡和沟底土壤侵蚀微小，可视为明渠流。确定股孔沟灌水流表面阻力系数可用谢才公式求出。式中C为谢才系数，尤为水定半径（m），i为水力坡降，V为流速（m／s）。利用满宁公式可得：式中，Q为流量（m3／s），A为过水断面面积（m2），n为满宁系数。设过水断面为梯形，则：式中，b为梯形断面底宽…     

农村河道生态治理模式研究

随着社会经济的发展，农村河道侵占严重，水面积锐减，河道淤积导致水利生态功能弱化，河道坍塌导致植被生态弱化，水环境受到很多污染源的影响，特别是农村面源污染。对农村河道的治理应该从水环境治理和河道结构治理两方面着手。河道水环境模式有循环利用生态治理模式、整体优化生态治理模式、多尺度相结合的生态治理模式、多技术集成的生态治理模式。河道结构治理模式包括自然生态型河道治理、工程生态型河道治理以及景观生态河道治理三种治理模式。     

基于格子玻尔兹曼法的TOPMODEL建模与应用

依据Freeze和Harlan的水文模型蓝图思想改进TOPMODEL,在模型构建过程中利用格子玻尔兹曼法(LBM)建立汇流过程的数值模型,采用达西公式数值模型求解饱和区土壤水运动方程,运用LBM法五速模型求解非饱和区理查兹运动方程,进而构建基于栅格的分布式LBMGTOPMODEL。模型的产流方法融合了蓄满产流理论和超渗产流理论,考虑了土壤水分剖面、土壤各向异性和地形坡度等对流域产流的影响;模型的汇流方法利用地貌水文学理论,寻求水文过程与流域地形地貌的相互作用及定量关系,此模型在汇流过程中将地貌因素与水动力扩散相结合以描述坡面水流运动,解决了坡面水流的流量分配问题。以中汤流域为对象进行水文模拟应用研究,验证得到确定性系数在0.547~0.883之间,平均值为0.725,结果良好,说明模型较为可靠。     

植草河床的糙率系数试验研究

为分析植草河床的糙率系数取值和影响因素,采用室内物理模型和原体天然植物相结合的试验方法,选取东北地区河道滩地常见植被高羊茅,对3种不同流量、2种不同植物密度、3种不同植物高度,共21组工况进行试验分析。结果表明,天然植草河床糙率值的大致范围是0.0332~0.0641,糙率系数随着冲刷历时和流量的增大而减小,随着植物密度和植物高度的增大而增大。相同条件下,植物高度对水流的阻力作用比植物密度的阻力作用要大。