植被作用下的复式河槽流速分布特性.docx

1、第38卷第2期力学学报Vol.38,No.22006年3月ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanicsMar.,2006植被作用下的复式河槽流速分布特性0杨克君刘兴年9曹叔尤-拾兵t张之湘，（四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都610065）t（中国海洋大学，者岛266071）摘要通过水槽试验，探讨了不同滩地植物（乔木、灌木和野草）对复式河槽流速分布的影响.详细地介绍试验过程及三维流速仪ADV的测最原理.试验时，选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草.同时，考虑了流地、床面底坡对流速分布的影响.试验结果表明，滩地未种树

2、的复式河槽在大的相对水深时，流速满足对数分布；滩地种树后，主槽流速增大，流速分布复杂，滩地流速'独小，呈S形分布，不同植物的S形分布是不同的.这种S型分布将水流划分为3个区的复杂行为，每区的范围与水深，垂线位置和植物类型有关.床面坡度对流速分布的影响非常明显.关键词复式河槽，滩地种树，流速分布，梢物类型中图分类号：TV133.1文献标识码：A文章编号：0459-1879（2006）02-024&05引言复式河槽大童存在于冲积河流中F游，它在许多方面不同于单一河槽.流量小时，水流在主槽运动；流量大时，水流漫滩.由于断面形态的变化和滩槽阻力的差异，滩槽交换区水流结构复杂以及流速、雷

3、诺应力、床面剪切应力分布等都明显不同于-单一河槽.结果，复式河槽的输沙规律明显不同于单一河槽.因此，研究复式河槽水沙复杂行为不仅具有理论价值，还有其实际应用意义.许多学者已认识到复式河槽许多特性不同于单一河槽，为此做了大量的试验研究和理论分析.Knight试验研究了复式河槽的水力学特性.Knight等回发现滩槽交界面存在强烈的动量交换.Tang等图比较和分析了计算过流能力的传统计算方法，发现这些方法不适合于复式河槽水力计算.Myers等（可分析了传统方法产生大量误差的原因.针对传统方法的不足，Ackers【Shiono等，Wormbaton等同，Shao等倒提出了估算过流能力的各种方法.但他们

4、的研究主要是针对滩地没有植物的情况.实际上在天然复式河槽中，由于滩地长期不过流，一般都长有不同类型的植物.这些植物对水流过流能力的影响如何，对流速分布影响如何？关于滩地种树，国内外学者也做过一些研究，Huang等【1。】和Darby等凹分析了滩地植物对水流阻力及过流能力的影响，Naot等Ml讨论了滩地植物密度对漫滩水流的复杂响应，Thornton等【切建立了滩槽交界面表观切应力的表达式.滩地种树这方面的研究国内外做得很少，即使研究植物一般也很少涉及到不同类型的植物，如乔木、灌木和野草，对流速分布的影响.为此，本文旨在通过水槽试验，分析不同类型的植物（乔木、灌木和野草）以及床面坡度对复式河槽流速

5、分布的影响.1试验概况系列试验是在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室活动水槽中进行的.水槽长16m,宽0.3m,高0.4m.槽首设有进水阀门,水流经过虽:水堰（三角堰）跌入静水池后流入水槽.静水池内设有消能栅，静水池与水槽之间由橡皮连接，以利调节水槽坡度.槽尾设有一平板闸门，调整平板闸门开度可控制水位，从而获得均句流.当水面比降与床面坡度相等（比降误差控制在2%之内），则认为水流为均匀流.水槽导轨上安置多普勒声速二维流速仪（ADV）测量支架及测针架.2004-12-14收到第1稿，200512-20收到修改稿.1) 国家自然科学基金(50579040,50579041),国家973

6、计划(2003CB415202)资助项目.2) E>mail:liuxingnian©247试验时，用三角堰测流量，用测针最测水深，用ADV测三维瞬时流速.ADV测速的原理"句是Doppler效应floppier=-2尺ourcc（Vr/*）（1）式中，Doppler为接收频率的变化（Doppler效应）,Source为发射频率，崎为声速，咋为声源与接受器之间的相对速度.由探头发射超声波，遇到控制体后反射，并由接收探头（ADV三维流速仪共3个接收探头）接收反射的信号.因此，ADV测量的实际是控制体与发射探头的相对运动速度.当控制体的微颗粒太小时，反射回来的信号太弱，信

7、噪比就比较小，因此保证一定数量的颗粒浓度，且有较好的随机性.对于滩地植物，作者选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草.模型植物种植在距水槽槽首8.2m和11.2m范围内，交错种植.测量断面位于距槽首9.6m处,在测量流速时，作者布置了10条垂线（如图1）,每条垂线横坐标依次为4,6,8,11,14,17,19.5,22,24.5,26.5（cm）.当测点到床面的距离小于5mm时，通过微调保证测点间隔为1mm;大于5mm时，测点间隔依水深而定，分别为2.5mm,4mm,5mm,对于同一个流量，测点间隔相同.同时选用了两个床面底坡，即1.25%o和0.1785%o,考虑不同底坡对流速分

8、布的影响.对于相同的底坡和相同植物，至少选用3个流量（Q）即10.951/s,14.111/s和17.721/s.但对于个别情况，考虑了一个更大的流量22.211/s.复式河槽用非均勾天然沙构筑而成，床面用水泥抹光.复式河槽滩槽分别宽8cm和13cm,主槽边坡系数s=1.5,如图1.U八'a(b)y=8cm(c)y17cm图1非对称夏式河槽断面形态Fig.lCrosssectionofanasymmetriccompoundchannel(d)y=22cm2流速分布图2反映了滩地植物垂线流速分布的影响.这里选用的流最为17.721/s.分析流速分布时，采用两个无毋纲数，即相对流速和相对

9、高度.图中为断图2不同位置垂线流速分布(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)中系数C,D(滩地无植物的情况)Table1CoefficientsCandDinEq.(4)forthecaseofnon-vegetatedfloodpla

10、inwithQ=17.721/s15heightofarbor63U/(cmT)012E9(a)乔木(a)ArborQ(l/s):10.9514.1117.7222.21So=1.25沧So=0.1785%«.U/(cm-8-1)60(b)潘木(b)Shrub面平均流速.在这些图中，考虑了4个不同的位置，即y=4cm,8cm,17cm和22cm,也就是主槽中心，主槽边坡起点，滩槽交界处，滩地中心附近.图中实线为对数拟合曲线.对于充分发展的二维湍流，垂线平均流速可以采用如下方程表示式中，U为点流速，。为局部摩阻流速，人为卡门常数，今为测点到床面的距离，为运动黏性系数.令U.=a(y)V

11、A,式(2)变为U.1.zp汀*血)尹厕+a(g)：In+a(y)c(3)式中，H(g)位于g处的局部水深.令C=a(g)=D=a(g)=ln+a(g)c,则式为“g=Cln(Hr)+O(4)式中，Hr=*，为相对高度"(g),因此，式(4)和式(2)是等价的.如果流速满足对数分布，采用式(2)或式(4)描述都是一致的.图2中的曲线都是根据式(4)拟合而成的.对于滩地无植物的情况，方程式中系数C和。分别见表L从表1可以看出，如果滩地没有植物，其流速满足对数分布.对于断面不同位置，系数C和。近似为某一常数.从图可以看出，滩地种树后，主槽流速增大，而滩地减小.增加或减小的程度与植物类型和

12、滩地水深有关.滩地流速减小程度实际反映植物对水流的阻力大小.不同的植物对水流的阻力是不同的.对于3类滩地植物，复式河槽流速分布基本上不满足对数分布.在主槽区，受交互区水流影响较小的地方，流速分布近似于对数分布；离滩槽交互区越近，受其影响越大，流速越趋向S型分布.在滩地区，流速服从S型分布.尤其在滩槽交区，这种S型最为突出.对于不同的植物，这种S型分布是有别的.总体而言，野草的S型分布最为明显.这种S型分布将水流划分为3区的复杂行为，每区的范围与水深，垂线位置和植物类型有关.图3反映了主槽底坡对滩槽交界处垂线流速分布的影响.这里考虑了两个底坡，即So=1.25%o和0.1785%o；以及4个流量

13、，即(?=10.951/s,14.11l/s,17.721/s和22.211/s.从图3可以看出，随着床面底坡的减小，水流中同一点的流速减小.对3类植物，灌木流速减小得最为明显.尽管床面底坡不同，但流速分布是相似的，即流速满足S型分布.与此同时，可以很明显看出流速分布受两个边界层的影响，即床面和植物顶端.不同的植物顶端位于水流复杂行为的不同区域，草和乔木的顶端位于水流第3区，而灌木顶端则位于2区与3区的分界处.图3也反映出不同的植物对水流的阻力是不同的.Q(l/s):10.9514.1117.7222.21So=1.25%»,So=O.1785“图3滩槽交界面流速垂线分布Fig.3V

14、erticaldistributionofpointvelocityfordifferenttypesofvegetation,atthelocationofy=17cm10.9514.1117.72meanheightofgrass20region2region1Q(1/。)：So=1.25%.56=0.1785%.U/(cm-fi-1)region315(c)野草图3滩槽交界面流速垂线分布(续)Fig.3Verticaldistributionofpointvelocityfordifferenttypesofvegetation,atthelocationofy=17cm(continu

15、ed)3结论通过滩地有无植物的复式河槽水流结构的水槽试验，可以获得：(1) 在大的相对水深时，如果滩地没有植物，其整个断面垂线流速满足对数分布.这种分布可以用相对流速与相对高度来描述.对于不同的流最和断面不同的位置，对数公式(4)中的系数C和。分别趋于某一常数.(2) 在滩地种树后，主槽流速分布特性复杂，而滩地流速呈S型.这种S型分布将水流划分为三区的复杂行为，每区的范围与水深，垂线位置和植物类型有关.但不同植物的S型分布是有差异的.通过比较发现，滩地种树后，主槽流速均明显增大而滩地明显减小.不同的植物对水流的阻力是不同的，总体而言，草对水流的阻力最大.参考文献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