1、浮叶植物对明渠流水动力特性的影响研究李仟1，2，3*，孟明1，2，31.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），郑州450003；3.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，郑州450003摘要：浮叶植物广泛存在于水生态系统中，对水域的生态环境和水动力特性均有显著的影响。本文采用理论模型与实验研究相结合的方法，研究了浮叶植物对明渠流水动力特性的影响，采用人工材料模拟浮叶植被开展水槽实验，建立了纵向流速垂向分布的数值解模型。结果表明，将水流沿垂向分为浮叶主导区和河床主导区，基于改进的混合长度理论，可得到纵向流速垂向分布的数值解，且理论模型
2、与实测数据吻合良好。浮叶植被通过浮叶、茎秆和河床对水体的共同作用影响水流结构，底部层和顶部层均有较大的流速梯度，流速和流速梯度均随着相应的临界距离值增大而减小；中间层的流速近似为均匀分布，且不受临界距离值的影响。关键词：浮叶植物；流速分布；临界距离；水动力特性中图分类号：TV13文献标志码：A文章编号：2096-2347（2023）01-0096-06收稿日期：2022-11-20基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（42207099）。作者简介：李仟，博士，主要从事生态与环境水力学研究。E-mail:引用格式：李仟，孟明.浮叶植物对明渠流水动力特性的影响研究J.三峡生态环境监测，202
3、3，8（1）：96-101.Citation format:LI Q,MENG M.Influence of floating-leaved vegetation on the hydraulic characteristics of open channel flowJ.Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges，2023，8（1）：96-101.Influence of Floating-leaved Vegetation on the Hydraulic Characteristics ofOpen Channel FlowL
4、I Qian1,2,3*,MENG Ming1,2,31.Yellow River Engineering Consulting Co.Ltd.,Zhengzhou 450003,China;2.Key Laboratory of Water Management and WaterSecurity for Yellow River Basin,Ministry of Water Resources(under construction),Zhengzhou 450003,China;3.Henan EngineeringResearch Center of Urban Water Resou
5、rces and Environment,Zhengzhou 450003,ChinaAbstract:The floating-leaved vegetation is widely found in the aquatic ecosystem,and can affect the hydraulic characteristics ofthe flow and provide a wide range of ecosystem functions.Bionic lotus leaves fixed on circular wooden cylinders were used to imit
6、ate floating-leaved vegetation,and their effects on the open channel flow were investigated by laboratory experiments.The flow region was divided into the leaf-dominated region and bed-dominated region,and a numerical model was built based on the modifiedmixing length hypothesis to solve the vertica
7、l distribution of streamwise velocity.The model predicted results agreed well with theexperimental data.The floating-leaved vegetation altered the flow structure through the combined action of floating leaves,stems,and the channel bed.Large velocity gradients appeared at the bottom and top layers,an
8、d the velocity and velocity gradient decreased with the increase of the critical distance Lm,while the velocity remained approximately constant in the internal region andwas not affected by the critical distance Lm.Key words:floating-leaved vegetation;velocity distribution;critical distance;hydrauli
9、c characteristicsDOI：10.19478/ki.2096-2347.2023.01.12三峡生态环境监测Ecology and Environmental Monitoring of Three Gorges2023年3月Mar.2023第8卷第1期Vol.8No.1模型计算方法研究第8卷第1期97浮叶植物广泛存在于淡水生态系统，在其中起着重要的作用。常见的浮叶植物有荇菜、芡实、睡莲等。它们一方面可以调节水体中物质的相互作用，直接吸收营养物质以及重金属，净化水体 1；另一方面会影响浮游植物和浮游动物的生物量 2，为鱼类等提供良好的栖息地和躲避天敌的环境 3。同时，它们通过遮光
10、效应减弱藻类的光合作用，可以很好地抑制藻类的生长和繁殖，避免水体的富营养化 4。目前，浮叶植物已大量应用于水生态与水景观工程中。作为水生态系统的重要组成部分，浮叶植物对明渠的水生态环境和水流水动力特性有重要的影响。目前已有大量研究关注了浮叶植物对水体生态环境的影响 5-6。Yamaki 等 3 对挺水植物和浮叶植物作为小型鱼类栖息地和躲避天敌避难所的生态作用进行了评估和比较。Seto等 4 通过简化的动态模型评估了浮叶植物对藻华的影响，发现浮叶植物的遮光效应会减弱藻类的光合作用，可以很好地抑制藻类生长和繁殖。相对于单一种类植物，将浮叶植物和沉水植物搭配使用对藻类的抑制作用会更明显。VonBan
11、k 等 7 采用便捷的空中监测技术对河流中浮叶植物的分布特征和生物量进行观测和分析。在水动力学的研究方面，针对含沉水植物或挺水植物的水流研究较多 8-10，而对含浮叶植物水流的研究较少。沉水植物和挺水植物均扎根于河道底部，通过水中植被拖曳力作用于水体，而浮叶植物的浮叶和茎秆均对水体产生作用，进而改变水流的流速分布和紊动结构。浮叶植物的存在，可以改变明渠原有的流速分布和水流结构，进而影响泥沙输运及污染物输移扩散。但目前针对浮叶植物水动力学效应的研究很少，特别是其流速分布模型和紊动结构方面的研究亟需补充。因此，开展浮叶植物作用下明渠水流水动力特性研究，对于深入理解植物与水流的相互作用具有重要意义。
12、本文采用理论分析与室内实验相结合的方法，研究了浮叶植物对明渠水流水动力特性的影响，可以为河道生态修复与水环境治理工程提供科学依据与理论指导。1理论分析1.1数学模型含浮叶植物水流中，靠近浮叶的上层水流和靠近河床的下层水流分别受到浮叶和河床阻力的影响，远离上下边界的中部区域则主要受到植被茎秆的影响。茎秆在整个水深范围内起到了阻力单元的作用。因此，含浮叶植被的水流结构受到边壁阻力和植被密度的影响。为了便于分析，把浮叶视为固定边壁，以二分之一水深处为分界线，将水流在垂向分为浮叶主导区和河床主导区，每个分区都可以视为固定边界和茎秆的组合，并假设在每一分区内的茎秆可以近似视为挺水植被，然后基于挺水植被水
13、流的结构特点来分析分区的水动力特性。考虑浮叶植被明渠具有恒定均匀流的情况。如图1所示，建立笛卡尔坐标系，x坐标表示纵向，z坐标表示垂向，u表示纵向流速。对于充分发展的恒定均匀紊流，浮叶植被的存在使得纵向流速在垂向上不再为对数分布，水流沿垂向可以分为三层：底部层、中间层和顶部层。在靠近河床的底部层，流速沿垂向逐渐增大，在距底部一定高度处达到流速最大值；进入中间层后，流速近似保持恒定，沿垂向没有变化；在靠近浮叶的位置处出现流速拐点，流速沿垂向逐渐减小直至为零，该层为顶部层。图1的底部层和顶部层均有较大的流速梯度，两个流速拐点zt和 zb为中间层的上下界限。图中H为水深，ui为中间层的流速，hb，h
14、i和ht分别为底部层、中间层和顶部层的厚度。李仟，等：浮叶植物对明渠流水动力特性的影响研究三峡生态环境监测http:/ of flow with floating-leaved vegetation在每个分区内，作用在水体单元上的作用力有重力、剪切应力和植被拖曳力，则动量方程 11 可以简化为：z+gS-12CdmDu2=0（1）式中：为剪切应力，N/m2；为水的密度，kg/m3；g为重力加速度；S为底坡（无量纲，单位为1）；Cd为拖曳力系数，此处取1.0；m为植被茎秆密度，m-2；D为植被茎秆直径，m；u为纵向流速，m/s。基于普朗特混合长度理论 11，可以得到剪切应力：=l2|uzuz（2
15、）式中：l为混合长度。在半经验紊流理论中，混合长度表示流体团在掺混过程中的平均自由行程。在此距离的范围内，流体团将保持其原有特性（如动量），直到超出这一距离并与该处流体掺混，并消失原有特性而取得该处流动平均性质（如流速）。混合长度两端点之间任何性质的差别就等于该性质在这两点的脉动平均值。因此，混合长度将紊动应力与时间平均流场联系起来。混合长度与水深有关。在靠近河床的区域内混合长度为线性分布，且大小与距河床的距离成正比，线性分布区域的深度通常小于水深的5%；在远离河床的区域内混合长度值则沿垂向保持恒定，不随水深变化。因此，混合长度可以表示为 11：l=z,0 z Lm（3）式中：为卡门常数（=0
16、.41）；Lm为距边壁的临界距离，m；该范围内的混合长度沿垂向为线性分布。z为重向坐标，单位为m。针对挺水和淹没植物,边壁指的是河床。对于浮叶植物水流，边壁包括河床边壁和水面的叶片形成的边壁。已有大量的研究表明，植被层的混合长度在垂向上的变化很小，可以视为沿垂向近似恒定不变。因此，假设混合长度在整个水深范围内保持恒定，则混合长度可以修正为：l=Lm（4）综合式（1）、式（2）和式（4）可以得到非线性常微分方程：z()|uzuz+gS()Lm2-CdmDu22()Lm2=0（5）为求解方程（5）的边值问题，可以采用等步长的有限差分法对其离散化。方程中的一阶、二阶偏导数分别用一阶中心差商和二阶中心差商来表示，差分格式如下：uz=ui+1-ui-12z,2uz2=ui+1-2ui+ui-1()z2,i=1,2,n（6）式中：z为步长，m；ui为i网格处的流速，m/s；n为网格数。离散后得到的非线性方程组，可以采用牛顿迭代法来进行求解。式（5）或者式（6）的一个边界条件为：|uz=ks=u*=8U（7）式中：ks为粗糙高度，m；u*为摩阻流速，此处认为u*等于边壁粗糙高度处的流速，m/s；为阻
