水生植被造成水流阻力增大,河道行洪能力降低。水流在植被附近易形成局部強(qiáng)剪切流,在植被根部產(chǎn)生沖刷侵蝕,植被穩(wěn)定性受到影響。然而要準(zhǔn)確的描述這種水流沖刷作用,須對(duì)河道中植被水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化分析研究。本文以收集的大量資料為基礎(chǔ),對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)含植被水流問題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)分析。以柔性淹沒植被狐尾藻屬植物為研究對(duì)象,選取寬高比分別為0.18、0.25、0.33的模型塑料草在矩形和梅花形排列方式下進(jìn)行含柔性淹沒植被明渠水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn),對(duì)植被不同形態(tài)和排列方式下的水流流速、水位進(jìn)行測(cè)量,分析植被形態(tài)和排列方式對(duì)時(shí)均縱向流速、糙率系數(shù)、紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力分布的影響。結(jié)果表明:(1)將沿程水面線分為上游壅水區(qū)、植被帶區(qū)、下游恢復(fù)區(qū)三個(gè)區(qū)域研究植被形態(tài)和排列方式對(duì)水面線的影響。發(fā)現(xiàn)梅花形排列方式以及植被寬高比較大時(shí),壅水效果顯著,且在植被帶區(qū)域梅花形排列方式下水面線降幅較大,矩形排列方式下植被帶下游恢復(fù)區(qū)水面線回升速率較快;明渠種植植被后時(shí)均縱向流速呈“S”形分布,1/2植被高度處出現(xiàn)極小值。植被層內(nèi)部植被形態(tài)和排列方式對(duì)時(shí)均縱向流速影響較大,植被層上部,時(shí)均縱向流速呈對(duì)數(shù)分布;梅花形排列方式下植被對(duì)水頭損失、水力坡降和糙率系數(shù)的影響較大,而植被形態(tài)對(duì)其影響較小。(2)植被形態(tài)和排列方式對(duì)植被帶上游壅水區(qū)紊動(dòng)強(qiáng)度影響較小,而在植被帶區(qū)域,梅花形排列方式以及植被寬高比的增加對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度影響較大,植被帶下游恢復(fù)區(qū),矩形排列方式下紊動(dòng)強(qiáng)度降幅較大;植被層內(nèi)部,紊動(dòng)強(qiáng)度增加,在植被頂部達(dá)到極大值,矩形排列方式下紊動(dòng)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較大,且隨植被寬高比的增加而增大。(3)含柔性淹沒植被明渠水流雷諾應(yīng)力出現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象,隨植被寬高比的增加,雷諾應(yīng)力增大;在植被頂部雷諾應(yīng)力出現(xiàn)了極大值,梅花形排列方式下數(shù)值較大,且向床面遞減,梅花形排列方式下減小幅度較大。表明植被在該排列方式下能夠較好地保持河床形態(tài)的平整,減少水流對(duì)河床的沖刷侵蝕;其象限分析發(fā)現(xiàn),矩形排列方式下,“向外交互”流態(tài)在植被層上部占主導(dǎo),“猝發(fā)”流態(tài)在植被層下部占主導(dǎo),梅花形排列方式下,“向內(nèi)交互”流態(tài)在植被層下部占主導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TV133
【部分圖文】：

柔性淹沒植被形態(tài)和排列方式對(duì)明渠水力特性的影響研究2a）合理植被群落布置b）水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象圖1.1河道植被群落和水體富營(yíng)養(yǎng)化圖1.2河道植被動(dòng)特性增強(qiáng)，其分布規(guī)律發(fā)生了明顯的改變（見圖1.2）。鑒于天然河道中植被種類豐富且種植方式復(fù)雜多樣，以水流流速為出發(fā)點(diǎn)，探討水流紊動(dòng)特性和水流的相互作用，對(duì)河道水體內(nèi)源污染的治理、污染物的凈化與輸移、生物多樣性的維護(hù)起到重要的指導(dǎo)作用，有利于大力推動(dòng)水環(huán)境保護(hù)與治理技術(shù)以及河道、湖泊、灘地生態(tài)修復(fù)的發(fā)展。因此，開展明渠水生植被作用下水流的水動(dòng)力特性研究不僅為河流生態(tài)的修復(fù)與運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)生態(tài)水力學(xué)和紊流力學(xué)的發(fā)展具有重要的理論意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1含植被水流流速特性研究Hsieh和Shiu[9]基于湍流理論和畢奧多孔隙彈性理論來研究植被區(qū)水流流速垂向分布，得到流場(chǎng)解析解，并將其和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證；D.Liu等[10]和YangW等[11]發(fā)現(xiàn)植被密度和高度會(huì)影響雙層植被流速恒定區(qū)域面積，并提出與植被密度相關(guān)的流速分布表達(dá)式；由于流速和植被種類不同，StoneMC等[12]、ElbietaKubrak等[13]通過研究柔性淹沒植被在明渠水流作用發(fā)生不同程度的彎曲，得到了

柔性淹沒植被形態(tài)和排列方式對(duì)明渠水力特性的影響研究2a）合理植被群落布置b）水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象圖1.1河道植被群落和水體富營(yíng)養(yǎng)化圖1.2河道植被動(dòng)特性增強(qiáng)，其分布規(guī)律發(fā)生了明顯的改變（見圖1.2）。鑒于天然河道中植被種類豐富且種植方式復(fù)雜多樣，以水流流速為出發(fā)點(diǎn)，探討水流紊動(dòng)特性和水流的相互作用，對(duì)河道水體內(nèi)源污染的治理、污染物的凈化與輸移、生物多樣性的維護(hù)起到重要的指導(dǎo)作用，有利于大力推動(dòng)水環(huán)境保護(hù)與治理技術(shù)以及河道、湖泊、灘地生態(tài)修復(fù)的發(fā)展。因此，開展明渠水生植被作用下水流的水動(dòng)力特性研究不僅為河流生態(tài)的修復(fù)與運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)生態(tài)水力學(xué)和紊流力學(xué)的發(fā)展具有重要的理論意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1含植被水流流速特性研究Hsieh和Shiu[9]基于湍流理論和畢奧多孔隙彈性理論來研究植被區(qū)水流流速垂向分布，得到流場(chǎng)解析解，并將其和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證；D.Liu等[10]和YangW等[11]發(fā)現(xiàn)植被密度和高度會(huì)影響雙層植被流速恒定區(qū)域面積，并提出與植被密度相關(guān)的流速分布表達(dá)式；由于流速和植被種類不同，StoneMC等[12]、ElbietaKubrak等[13]通過研究柔性淹沒植被在明渠水流作用發(fā)生不同程度的彎曲，得到了

潭群土髁看笮〉墓叵擔(dān)?⑾?水流縱向流速沿垂線呈“S”形分布，將其分為植被內(nèi)部區(qū)、過渡區(qū)和上部區(qū)，過渡區(qū)內(nèi)流速受植被密度影響顯著，在植被層上部區(qū)時(shí)均流速呈對(duì)數(shù)分布，并結(jié)合普朗特混合長(zhǎng)度理論推導(dǎo)出水流流速表達(dá)式（公式1.1），不同工況只需調(diào)節(jié)值便得到對(duì)應(yīng)工況流速表達(dá)式[16-18]。01ln11**vuzukukhu=++（1.1）式中：u*為植被頂端摩阻流速；0u為植被層頂部時(shí)均縱向流速；k為卡門常數(shù)，取0.4；z為水深；vh為植被有效高度。劉昭偉等[19]以灌木植被為原型，以植被水流水平速度分區(qū)模型（見圖1.3，h為水深，k為植被高度）為出發(fā)點(diǎn)，在水流動(dòng)量平衡的基礎(chǔ)上借助混合長(zhǎng)度紊流模型得到植被水流流速垂向分布微分方程，并與Baptist公式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有較好的適用性。張英豪等[20]以苦草為研究對(duì)象，得到水流流速垂向分布和冠層內(nèi)部水流結(jié)構(gòu)調(diào)整特征（見圖1.4），發(fā)現(xiàn)在苦草冠層的影響下，流量增加，冠層倒伏高度降低，流速對(duì)數(shù)分布剖面顯著。圖1.3植被水流水平速度分區(qū)[19]圖1.4苦草冠層植被內(nèi)部水流結(jié)構(gòu)[20]通過對(duì)比分析植被覆蓋條件下坡面流水力特性，發(fā)現(xiàn)坡度和覆蓋度對(duì)水流流態(tài)以及各參數(shù)之間的關(guān)系影響較大，相較于柔性植被而言，剛性植被對(duì)流速的減緩效果顯著（見圖1.5）[21,22]。
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本文編號(hào)：2880800