挺水植被状态对水流阻力影响的实验研究

挺水植被的状态在水流作用下会发生改变。该文通过实验室实验观测了单株挺水植被在水流作用下的状态变化和对水流阻力的影响,分析了不同水流条件下单株挺水植被状态和阻力系数之间的关系;同时研究了相同水流条件下不同种类或生长期的挺水植被对水流阻力的影响。研究结果表明,挺水植被相对刚度和阻力系数之间关系密切,随着相对刚度的增大,阻力系数也随之增大。     

挺水植被弯曲变形对水流阻力的影响研究

为研究挺水植被在水流作用下发生的弯曲变形对水流阻力影响,通过明渠水槽实验对不同水流条件下单株挺水植被的弯曲变形状态及其水流阻力进行了观测分析。研究结果表明,挺水植被从完全直立转变为挺水弯曲摇摆状态时,水流阻力随着植被弯曲变形程度加剧而增加;当植被由挺水状态转为淹没状态时,水流阻力显著降低;当植被处于弯曲摇摆的淹没状态时,水流阻力同样会随着植被弯曲变形程度的加剧而增加;但是,当植被的弯曲变形增加到使得植被处于完全倒伏时,水流阻力反而会减少。研究成果有助于平衡河流生态治理与汛期泄洪的关系。     

黄河下游滩区含植物水流运动及阻力试验研究

含植物水流运动规律是研究黄河下游滩区防洪的重要内容。通过开展水槽试验，测量不同水深、比降、含沙量条件下的流速分布，研究了黄河下游滩区代表性植物作用下的水流动力特性及阻力变化规律。研究结果表明，植物在非淹没情况下，纵向流速随相对水深增加，表现为先增后减；在淹没情况下，纵向流速沿垂向呈三区“S”形分布特性；相对紊动强度的沿垂线分布特点与纵向流速基本一致，但含沙量越大，水流纵向紊动强度越小。在相同比降条件下，植被糙率随佛汝德数的增加而减小；而佛汝德数一定时，植被糙率与比降成正比；相同比降条件下的植被糙率随含沙量的增加而减小。     

植被排列方式对坡面糙率系数的影响研究

为分析植被排列走向与水流方向的夹角对坡面地表水流阻力的影响,设计了3种植被排列走向与水流方向成不同夹角的底板、7种不同的坡面比降,通过试验研究不同植被分布对坡面流水流阻力的影响。结果表明:在非淹没状态下,在一定坡面比降范围内,同一平均水深下,随着水流方向与植被走向夹角减小,糙率系数增大;同一下垫面条件下,坡面水流流向不同则坡面地表糙率系数不同,植被走向与水流方向的夹角越小则糙率系数越大。     

含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.     

河道植被对水流运动影响研究之现状

研究植被与河道水流的相互作用,对于防洪和生态环境治理具有实际意义.总结了沉水植被和挺水植被对水流的阻力的研究进展情况.针对单一类型植被对水流的阻力已经开展了物理模型试验研究,但试验中忽略了植被的生态特征变化对水流运动的影响.已有的植被对水流阻力的数值模型,是通过调整河床糙率来考虑沉水植被对水流的阻力,采用圆柱绕流的阻力公式计算挺水植被引起的水流阻力.今后在分析植被对水流运动影响的研究时,需要进一步考虑植被的多样性和生态特征.     

植被群落之间水流紊动强度垂向分布规律探讨

以生态特征参数不同的植被群落为研究对象,在室内水槽中种植灌木、芦苇和灌木-草本植被混合群落,利用多普勒流速仪沿程测量各测点瞬时流速,基于河流动力学和紊流力学理论,将水流紊动强度表达为植被直径、水流绕流阻力因数、植被直径梯度和水流绕流阻力因数梯度的函数,比较不同类型植被群落之间水流紊动强度垂向分布规律的差异。结果表明,灌木完全淹没时,紊动强度在垂向上最大值位于灌木冠层顶端区域,极小值位于茎杆向冠层过渡区域。植被群落水流紊动强度垂向分布曲线上存在三个拐点,即茎杆向冠层过渡处、植被偏转点和植被冠层顶端。     

柔性植被和刚性植被水流水动力学特性研究

为了深入揭示植被水流的内在规律,系统研究了刚性和柔性植被覆盖下坡面流水动力学特性。结果表明:刚性或柔性植被覆盖下,水流平均流速均随流量增大而增大,刚性植被对流速的减缓效果优于柔性植被;刚性植被覆盖下,弗劳德数小于1,处于缓流流态,阻力系数随雷诺数和流量增大呈单峰形式变化;柔性植被覆盖下,随流量增大,弗劳德数逐渐增大,由缓流过渡到急流,阻力系数随雷诺数和流量增大均呈减小趋势。在生态工程建设过程中,同种植被应该选取刚度较大的植被类型。     

植被刚度及其阻力特性研究可视化软件开发

水生植被是河流生态系统的一个很重要的组成部分,也是河流动力系统的基本要素之一。文中介绍了基于《单株植被刚度及其阻力特性研究》实验而开发的一套可视化软件。该软件能够分析出给定相关参数的单株植被在一定水流环境下对于水流阻力的影响。结果通过具体的水头损失数值表现出来。该软件具有操作简单,可读性强的特点。     

植被排列方式及坡度对坡面流Fr影响的试验研究

为探究植被的排列方式及坡度大小对坡面流弗劳德数Fr的影响,以期揭示坡面流弗劳德数Fr的内在规律。利用人工模拟试验,系统研究了6个坡度、3种植物排列方向与水流方向呈不同走向角的条件下Fr与单位底面积的空间摩阻表面积K值的特征关系。表明在非淹没状态下,Fr与K值的关系为随K值的增大Fr呈现先减小后趋于平稳的趋势;Fr的取值随坡度的增大而增大;在一定的坡度范围内,同一坡度下,当Fr1时,同一K值下,走向角越大对应的Fr值越小,当Fr1时则相反;同一走向角下,在同一K值下,坡度越大对应的Fr就越大。得出在坡度一定的条件下,坡面植被的排列方式不同,弗劳德数Fr的取值也不相同;坡度是影响Fr取值范围的重要因素之一。     

Influence of bending rigidity of submerged vegetation on local flow resistance

The different state of the submerged vegetation has different influences on the flow resistance. This paper explores the relationship between the state and the resistance of an individual submerged vegetation, and the relative bending rigidity of the submerged vegetation is determined by the state of the submerged vegetation. Based on the experimental observations, the state and the resistance of an individual submerged vegetation are analyzed under different inflow conditions. At the same time, the influences of the various submerged vegetations on the flow resistance are discussed under the same inflow conditions. Some interesting relationships are obtained between the flow resistance and the relative bending rigidity of the submerged vegetation, and it is shown that the flow resistance increases with the increase of the relative bending rigidity of the submerged vegetation, and they are positively correlated.     

FACTORS INFLUENCING BENDING RIGIDITY OF SUBMERGED VEGETATION

The bending rigidity of submerged vegetation is closely related with vegetative drag force. This work aims at determining the effects of flow conditions and characteristics of vegetation on the bending rigidity of submerged vegetation. Based on the dimensional analysis method, the factors influencing the bending rigidity of individual submerged vegetation were analyzed. The relationship between the relative bending rigidity and its influencing factors was investigated by experimental observation, and a rela...     

淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

HYDRAULIC RESISTANCE OF SUBMERGED VEGETATION RELATED TO EFFECTIVE HEIGHT

Submerged vegetation has a significant impact on water flow velocity. Current investigations include the impact through adding drag resistance and increasing bottom roughness coefficient, which cannot elucidate the characters of real submerged vegetation. To evaluate the effects of submerged vegetation on water currents at different velocities, a laboratory experiment was conducted using three kinds of vegetations. The effective heights of these vegetations on varying flow velocities were evaluated. An equation describing the relationship between the normalized resistance of the submerged plants and the Reynolds number based on the plant effective height was then established and used to calculate the hydraulic resistance parameters of submerged plants in different stages of growth.     

基于粒子图像测速技术的淹没植被斑时均尾流结构研究

水生植被对维持生态系统健康稳定具有重要意义，而绕有限尺寸淹没植被群落的流动又对物质输移和植被演化具有重要影响。本研究将淹没植被群落概化为圆形刚性圆柱阵列，并基于实验室水槽实验，采用粒子图像测速技术对不同密度植被群落的尾流时均流场进行测量，以探究植被密度变化对其尾流结构的影响。结果表明：植被斑内的顺流向出流强度随植被密度的增大而增大，同时植被斑直径的大小也对出流强度有影响；当植被密度大于0.1时，植被斑的群体行为变得十分明显，在时均流场中植被斑下游会产生类似于淹没实心圆柱的三维“拱”形回流涡，其与植被斑之间的距离随植被密度的增大而减小；稳定尾流区长度与拱形涡到植被斑后缘的距离成近似正线性相关关系。研究成果对深入理解植被群落的绕流结构具有促进意义。     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

淹没柔性植物对明渠推移质运动影响的实验研究

由于水流中植物的存在,使推移质泥沙运动规律变得更为复杂,目前,含植物水流中推移质泥沙运动的研究成果较少。实验研究了含淹没柔性植物水流中,不同植物密度及水深对时均流速、脉动强度、泥沙起动流速以及推移质输沙率的影响。结果表明,在植物顶部以下,有植物时的时均流速明显小于无植物时的流速,而脉动强度大于无植物时的脉动强度;当水深相同时,随着植物密度的增大,泥沙起动流速呈逐渐减小的趋势,并与植物密度呈较好的三次方多项式相关关系;植物密度对推移质输沙率的影响并非呈单一变化规律,随着植物密度的增大,推移质输沙率呈先增大然后逐渐减小的趋势,当植物密度相同时,水深越小,泥沙起动流速越小,推移质输沙率越大。     

河道含淹没刚性植物二维涡量场特性

含植物水流的涡量场构成了水生动物生境的物理基础,形成水、物质的循环以及能量的分配过程。本文通过玻璃水槽试验用二维标准PIV测量研究了含淹没刚性植物二维垂直涡量场的分布,得出流速梯度是形成含植物水流涡量的关键因素。植物顶层附近对水流的干扰大,因而流速梯度大;涡量最大值出现在淹没刚性植物顶层以下约30%处;植物顶层处,涡量绝对值大,拟熵大,能量耗散率也高。植物顶层是造成水流紊动耗散的主要原因。     

含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究

利用水槽试验研究了无草、淹没型、非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律,分析了含植物明渠沿程水面比降和阻力系数的变化特性。得到各植物阻力系数变化与尼库拉兹曲线基本相似,紊流范围内同样可划分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;探讨了各植物明渠等效河床的问题,据此确定了各植物的粗糙度,对植物粗糙度、水流雷诺数和阻力系数之间的关系进行了分析,并通过对各植物水流阻力系数的分区回归计算,得到各植物水流阻力的分区经验表达式,该方法能较好地应用于含植物明渠水流阻力系数的推求。