含剛性植物水流中懸移質(zhì)泥沙分布規(guī)律實驗研究.pdf

1、泥沙是河流生態(tài)系統(tǒng)中一個非常活躍的因子，泥沙顆粒的沉速及水流中懸移質(zhì)泥沙濃度的垂線分布規(guī)律都是河流動力學(xué)中的重要研究課題。當水流中含有植物時，水流的紊動特性發(fā)生顯著變化，泥沙顆粒的沉速及懸移質(zhì)泥沙的濃度分布規(guī)律將受到植物的影響。本文利用試驗及理論分析相結(jié)合的方法，研究了靜水條件下剛性植物對粗顆粒泥沙沉速的影響，在水槽中模擬剛性淹沒及非淹沒植物，進行了不同植物密度及水流條件下的三維流速及懸移質(zhì)泥沙濃度測量，研究了植物因素對水流紊動及泥沙濃

2、度垂線分布的影響，揭示了水流紊動對懸移質(zhì)泥沙分布作用的機理，取得了以下有價值的研究成果： (1)剛性植物對泥沙顆粒沉速的影響當植物密度大于0.071或泥沙粒徑大于0.2 cm時，泥沙沉速有不同程度的減小，粒徑越大，植物密度越大，沉速減小的幅度越大。當植物密度小于0.071或泥沙粒徑小于0.2 cm時，可以認為泥沙沉速不受植物的影響。通過對泥沙沉降阻力系數(shù)的分析，建立了植物因素對沉速影響的公式。 (2)有無植物條件下挾沙水

3、流中泥沙濃度的垂線分布在含淹沒植物的挾沙水流中，摩阻流速應(yīng)該用雷諾應(yīng)力的最大值來推求(根號下-(uv)<,max>)，縱向時均流速可以分為兩個分區(qū)，第一分區(qū)為y/h<,v><0.65的范圍，近床面以上的流速逐漸增大，dU/dy也逐漸增大，第二分區(qū)為y/h<,v>>0.65的范圍，這一分區(qū)的流速很好地滿足對數(shù)分布規(guī)律。利用Rouse公式對泥沙濃度進行計算表明，在0.65h以上水深，計算值與實測值能較好地吻合，而在0.65h，以下水深，二者

4、逐漸發(fā)生偏離，實測值要大于計算值，越接近床面，偏離的程度越大。 在含非淹沒植物的挾沙水流中，邊壁剪切流動已經(jīng)不再存在，代之以眾多圓柱繞流的疊加，縱向時均流速在垂向上呈均勻分布，泥沙濃度呈典型的Ⅱ型分布，根據(jù)含非淹沒植物挾沙水流中的紊動特點，假定泥沙擴散系數(shù)沿水深為常數(shù)，并給出新的確定方法。 對比了無植物、含淹沒及非淹沒植物三種不同挾沙水流中泥沙濃度垂線分布的均勻性，總體來說，含淹沒植物挾沙水流中泥沙濃度分布最為均勻，其次

5、為含非淹沒植物挾沙水流中，無植物挾沙水流中泥沙濃度分布最不均勻。 (3)引起泥沙濃度垂線分布變化的水流紊動特性分析在含淹沒植物的挾沙水流中，縱向、橫向及垂向的脈動強度均從床面向上逐漸增大，在植物頂部附近達到最大，然后發(fā)生轉(zhuǎn)折，向上逐漸減小。橫向脈動流速的概率密度在垂線上呈左右對稱分布，偏態(tài)系數(shù)呈均勻分布，絕對值接近于零?？v向及垂向的概率密度偏離正態(tài)分布，偏離的方向相反，偏態(tài)系數(shù)隨測點水深的增大顯示出相反的分布規(guī)律，從床面到y(tǒng)/h

6、<,v>≈0.7處，縱向偏態(tài)系數(shù)逐漸增大，垂向偏態(tài)系數(shù)則逐漸減小，到y(tǒng)/h<,v>≈0.7處二者均達到極值，再向上，縱向偏態(tài)系數(shù)開始減小并逐漸小于零，而垂向偏態(tài)系數(shù)則開始增大并逐漸大于零，直到y(tǒng)/H≈0.7處再次發(fā)生轉(zhuǎn)折。 在含非淹沒植物的挾沙水流中，三個方向的脈動強度在垂向上呈均勻分布，三者之間的對比關(guān)系為橫向最大，縱向次之，垂向最小。橫向脈動流速的概率密度在垂向上呈左右對稱分布，峰值比標準正態(tài)分布低；縱向及垂向的概率密度在垂

7、向上呈標準正態(tài)分布，沒有發(fā)生明顯的正偏或負偏。 當脈動流速的偏態(tài)系數(shù)不為零時，紊流中的介質(zhì)表現(xiàn)出向某一方向紊動擴散增強的趨勢，稱之為紊動擴散勢。垂向紊動擴散勢可以很好地解釋在無植物、含淹沒及非淹沒植物挾沙水流中泥沙濃度垂線分布的變化。在無植物挾沙水流中，泥沙所受到的紊動擴散作用被削弱，增大了泥沙濃度在垂線上分布的不均勻程度。在含淹沒植物的挾沙水流中，泥沙受到的紊動擴散作用大大增強，泥沙濃度在垂線上分布的不均勻程度顯著降低。在含非