OpenFOAM在植被水流模拟中的应用

鉴于水生植被广泛存在于长江口河道滩地,其对滩地水动力特性和泥沙沉积等有重要影响,采用Open FOAM模型模拟了斑块植被对水动力特性的影响,对比分析了不同密度斑块植被对水流结构影响。结果表明,不同密度植被尾流结构差别明显,植被较密时,下游侧植株周围流速明显减小,尾流结构不明显。     

河岸植被覆盖影响下的河流演化动力特性分析

河岸植被对河道的水流运动、主槽稳定及河湾迁移等均有重要的影响,尤其是在洪水期河流的演化过程中。为分析不同密度植被护岸对河流动力过程的影响响应,本文采用自然模型实验,通过改变河岸植被种植密度及单双岸布设方式,模拟河岸有无植被种植的河流演化过程。给定相同的造床流量、坡降、泥沙粒径等水沙边界条件,设定控制变量为河岸植被覆盖率,分别为0%,20%,40%,80%。实验结果表明:(1)单岸植被覆盖其主流稳定性较两岸植被覆盖为差;(2)河岸植被越密集,水流对河床的局部扰动越强烈,河演达到稳定状态周期越长;(3)两岸植被覆盖的蜿蜒河道其稳定曲率随植被覆盖率增大而减小,较大的水流剪切力会造成较大的河湾迁移。     

含柔性植被明渠水流水力特性的试验研究

采用粒子图像测速(PIV)技术对含柔性淹没植被明渠水流的水力特性进行试验研究。利用人造水草模拟天然柔性植被,对不同密度、不同流量条件下含柔性植被明渠恒定均匀流场进行了测量,得到了淹没植被情况下纵向流速、雷诺应力、紊动强度沿垂向分布与曼宁系数的变化情况。试验结果表明:纵向流速的垂向分布可以分为3区,包括自由水面区、中间冠层区和近床面区。自由水面区流速随植被密度增大而增大,中间冠层区与近床面区流速随植被密度增大而减小。雷诺应力与紊动强度的峰值出现在植被冠区顶部附近,并随着植被密度增大而增大。     

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。     

淹没植被明渠边界切应力试验研究

生态河道中的植物在净化水质的同时增大了河道阻力,是抬高河道水位、影响河道行洪安全的原因之一.采用塑料草模拟植被,建立横断面为梯形的明渠水槽,研究植被淹没情况下明渠水深、流速以及植物间距对明渠切应力的影响.通过对研究水体的受力分析,推导出床面平均切应力计算公式;根据试验结果,计算得出不同条件下的边界平均切应力,分析不同水...     

有植被的河道水流紊动特性模型试验研究

通过物理模型试验,研究了有植被的河道水流紊动特性.试验结果表明,在复式断面河道滩地种植柔性植被后,滩地糙率增大,水流紊动更为剧烈,河道水流紊动强度峰值由原先的滩槽交界区转移到滩地区.滩地的水流紊动强度沿程递减;滩槽交界区的水流紊动强度沿程不断增大;主槽的水流紊动强度主要与床面糙率有关,滩地植被影响了滩地水流的归槽时间,使主槽水流流速沿程增大.     

非淹没刚性挺水植被对弯道水流特性的影响

广泛分布于天然河道浅滩的植被能够改变河流局部的水力特性和泥沙运移过程,为了解植被对弯道水流特性的影响,针对特定流量下凸岸侧含有刚性挺水植被的弯道,对植被密度、位置不同时水流特性的沿程分布规律开展试验探究。通过建立弯道水流概化模型,利用ADV采集三维流速数据,对比无植被和有植被（植被密度分别为0、2.2%和4.5%）条件下的流速分布,定性分析不同工况下植被对弯道水流紊动特性的作用,确定弯道环流的结构及强度。结果表明,凸岸侧植被的存在（在0°~90°弯段,1/4河宽区间内均匀分布）能有效削弱弯道环流强度,但对凸岸区的消减效果并不随植被密度的增大而加强。非植被区上下不同流向水层的分界点位置随植被密度变化而变化,且植被分布对弯道各断面不同水深处的环流结构也有影响。     

基于格子Boltzmann的植被对河道的流场和污染物输运的影响研究

为了研究植被分布对河道输水能力及对污染物输运能力的影响机制,基于格子Boltzmann数值模拟方法,将植被的阻碍作用概化为植被粗糙率,采用D2Q16多速度浅水模型模拟计算植被区间隔分布的河道中的流场,再将计算得到的流场信息与D2Q5对流扩散模型得到的污染物浓度场耦合,研究植被对流场以及污染物输运的影响。结果表明：河道纵断面植被区流速降幅、过渡区和中心区流速增幅均与植被密度呈线性正相关,横断面中心区流速远大于过渡区和植被区,植被区和中心区流速呈直线分布,且过渡区流速与植被密度呈二次幂相关,污染物浓度的衰减幅度与植被区间隔距离呈正相关性。植被能够改变污染物输运的轨迹,且能有效减少河道下游污染物的浓度。该研究可为城市人工生态景观建设中河道内人工布置植被的适宜密度和间隔提供参考。     

植被对河道水流及岸滩形态演变影响研究进展

植被作为河流系统重要的阻力因素,在河道形态演变方面发挥着至关重要的作用。植被地表结构改变了河道水流阻力、河床切应力、流速分布及水流紊动特性,植被根系增强了岸滩土体强度和稳定性。从植被地表茎干结构对水流特性影响和植被地下根系加筋作用对岸滩稳固影响两个方面的研究进行了回顾和综述,并指出今后在植被水流研究方面,可进一步考虑植被枝、叶对水流特性的影响,加强对柔性植被变形、摆动引起的动边界问题的研究,以及全面考虑河道形态边界条件的影响,特别是含植被的分汊河道水流特性还需深入研究;在植被根系固土护岸方面,可同时考虑岸滩土体非均质性、河道水流对岸滩的侵蚀冲刷作用及水体渗流对岸滩土体力学特性的影响;在植被河道形态演变预测方面,可以综合考虑含植被河道的水动力学及土力学问题,以及两者间的互馈响应机制。     

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R²为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。     

祁连山东段植被分布特征及演替规律

在水平分布上,影响祁连山东段植被种类和数量的主要因素为降水和温度条件;在垂直分布上,其植被类型可分为干性山地草原植被带、山地森林草原带、亚高山灌丛草甸植被带、高山寒漠草甸植被带。祁连山东段植被演替受人为活动、地形、温度、降水等多种因素制约和影响,以400 mm年降水线为界,在阴坡、阳坡分别形成不同的演替格局,最终将形成苔藓、苔草云杉林、祁连圆柏林等顶级群落结构。     

60年来洱海水生植被演替及其驱动力分析

洱海是大理白族人民的母亲湖和集中饮用水源地,受自然条件和人类活动双重驱动影响,近60 a来,洱海水生植被演替过程明显,植被资源呈现出显著的衰退特征。基于洱海历年水位、水质、水生植被种类与面积以及浮游植物数量等相关数据,系统地研究了洱海水位、水质变化过程及其与水生植被演替过程的关联性,探讨了洱海水生植被演替的驱动力因素。研究结果表明：(1)近60 a来洱海水生植被群落演替经历了扩张、鼎盛、衰退和稳定等过程,水生植被种群结构单一化、水深分布范围和面积大幅度萎缩,优势种群逐步由清水型转变为耐污型的苦草、金鱼藻和微齿眼子菜;(2)洱海水生植被演替受洱海水位变化驱动影响显著,年内5～8月份维持低水位及年内水位的大变幅波动,是驱动并维持洱海水生植被良好生长和最大面积分布的关键;(3)洱海的水质污染引起湖泊由草型转向藻型并导致水体透明度急剧下降,是1990年代至2003年期间洱海水生植被快速退化的关键环境驱动因子。基于研究结果,提出以下建议：应有效控制并逐步减少流域入湖水体的氮磷等营养盐含量,科学制定并实施每年度5～8月份低水位运行、年内较大水位变幅的生态水位调度方案,以此来有效促进洱海水生植被的自然修复和湖泊水环境质量的可持续改善。     

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。     

淹没与非淹没植被作用下复式河槽流速最大值分布

本文收集了不同系列的淹没与非淹没植被作用下复式河槽的流速资料并对复式河槽中流速最大值的横向分布进行了探讨。结果发现滩地流速最大值基本保持在水面附近而主槽中的流速最大值都在水面以下;当滩地种有非淹没植被时;主槽中的流速最大值分布与无植被时几乎一致,滩地流速最大值在植被密度较小时仍在水面,但当植被密度较大时,最大值会向床面靠近;当滩地种植淹没植被时,流速最大值的位置会随着植被淹没度的增加而逐渐上升,最终保持在水面附近。     

河道治理工程中护坡植被条件对岸坡水力特性影响研究

为研究淮安四站输水河道岸坡植被条件对其渗流稳定性影响,采用根系植被模拟设计方法,开展了植被覆盖密度参数λ影响下的水力特性及水动力特征计算分析。λ愈大,断面流速愈小,但λ超过2%后降幅较小,同时随λ增大,断面峰值流速随坡体中部逐步迁移变化至坡脚外侧。λ增大,坡体渗流阻力系数递增,植被参数每增大0.5%,平均阻力系数增幅为22.9%;λ仅在1.5%～2.0%区间方案内,断面阻力系数才具稳定特征。参数λ与雷诺数Re为正相关,与傅汝德数Fr为负相关变化;λ超过2%后,坡体无过渡流特征,雷诺数具有显著陡增断面,且傅汝德数Fr虽低于1,但仍有不稳定区间断面。综合考量认为λ为2%更适配河道护坡设计。     

并排对称植被群密度对河道水流流速分布的影响

生长在天然河道中的植被群落是河流动力系统的基本组成要素,对河流水流特性产生影响.该文利用均匀玻璃纤维杆模拟刚性植株,并排对称地布置在水槽中心,并设置不同密度工况,研究并排对称植被群不同密度下河道水流流速分布特性.结果 表明:流速的沿程和横向变化均受到并排对称植被群落密度不同程度的影响,流速沿程变化规律受密度影响尤为明显...     

含柔性植被水槽水流特性试验研究

河道、水库、渠系、湖泊中的水生植被会对水流特性产生较大影响,从而影响泥沙输移、灌溉、排水及水环境等。为了研究柔性植被对水流的影响,在实验室水槽中,用塑料草代替水生柔性植被进行了系列实验,利用三维激光多普勒测速仪等仪器测量了植被区在不同工况下的水位、三维流速、植被的倾斜角度、湍流强度等,并研究了它们与植被疏密程度和流量大小的关系。结果表明:植被区水位、倾斜角随着植被疏密程度和流量大小的变化而发生变化;植被区的流速大小、湍流强度均大致呈规律性的几何形状分布。研究结果在水利工程及环境工程等领域具有较大的应用价值。     

黄土高原农牧交错带植被恢复途径

黄土高原地处我国内陆腹地,很大一部分地区属农牧交错带.在黄土高原农牧交错带的植被恢复过程中应加强产业观念的转变,实现退耕封禁,在自然恢复的前提下,可以采取适当的人为辅助措施,但应以不大规模扰动破坏土壤为限.在植被的恢复过程中,要同时考虑植物区系、动物区系和微生物区系这三大功能类群,否则植被的恢复将是不彻底的,恢复的系统可能是不健康的,系统的固有功能和生态服务特性可能不会完全释放出来,最终将难以真正稳定和持久.     

长江中游螺山站'98洪水位偏高原因分析计算

 长江中游螺山站1998年洪水实测洪峰水位比1954年洪水实测洪峰水位偏高1.78 m,经综合分析认为主要有洪水特性差异、54洪水分洪影响、洞庭湖分汇流变化影响、长江干流河道变化影响4个方面的原因。为研究各影响因素对螺山站98洪峰水位偏高的影响程度,建立了一套适用于长江中游河道的洪水演进水动力学数学模型,在“81.7”洪水和98洪水复演计算的基础上,进行了54洪水还原、98洪水演进和54洪水演进计算。计算成果分析表明：由于54洪水分洪使得螺山站54洪峰水位降低了0.83 m（即相当于使得98洪峰水位抬高了0.83 m）,洞庭湖分汇流和长江干流河道变化联合影响引起的螺山站98洪峰水位抬高值为0.74～0.84 m,而仅长江干流河道变化引起的螺山站98洪峰水位抬高值为0.33～0.36 m。     

从塔里木河河岸地下水与植被覆盖看尾闾湖维持面积

实施塔里木河下游生态输水工程（简称生态输水工程）是塔里木河下游“绿色走廊”保护的重要举措。以塔里木河下游（含湖区）为研究对象,采用密集时序遥感技术对自2000年生态输水工程实施以来的生态输水过程中河岸带与湖区植被面积和植被覆盖度的变化特征进行定量分析,结果表明：生态输水对河道两岸地下水水位的影响范围局限在1～2 km内,越往尾闾方向影响范围越窄;植被面积与植被覆盖度增长趋势显著的区域中,湖区占比较大,主要体现在尾闾湖区。为提高生态水利用效率,建议优化目前的生态输水方式。