本文關(guān)鍵詞：漸變流植被河道水動力學(xué)機(jī)制研究

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【摘要】：植被是河道漸變流形成和維持的重要基礎(chǔ),漸變流植被河道水動力學(xué)機(jī)制研究是當(dāng)前生態(tài)水力學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。本研究開展了漸變流植被河道水動力學(xué)模擬實驗,在理論分析和實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,研究了剛性植被對河道流場結(jié)構(gòu)、能量耗散、曼寧系數(shù)和湍流結(jié)構(gòu)的影響,探索了漸變流植被河道的水動力學(xué)機(jī)制。主要結(jié)論如下：一、流場結(jié)構(gòu)理論分析和實驗研究表明：1)植被可使河道流態(tài)在M1和M2型之間發(fā)生轉(zhuǎn)變,壅水水位差隨植被密度、植被段長度和淹沒植被高度增加而增加；2)利用相對淹沒度可以概化剛性淹沒植被對明渠流場結(jié)構(gòu)的影響,尤其是對于雍水水位差的度量；3)漸變流植被河道的形成條件為：河道為正坡、緩坡明渠,水流處于緩流狀態(tài),漸變流水面曲線類型受植被斑塊影響發(fā)生轉(zhuǎn)變；4)植被可以削減局部流速,且削減力隨植被密度、植被段長度和淹沒植被高度增加而增加；5)垂向流速分布的不規(guī)則系數(shù)可以描述剛性植被作用下植被段內(nèi)垂向流速分布的不規(guī)則性。二、能量耗散的實驗結(jié)果表明：1)不同植被參數(shù)下,斷面單位能量在一定水深范圍內(nèi)相互重疊,但總體上隨植被密度、植被段長度、淹沒植被高度的增加／相對淹沒度的減小而增加；2)斷面單位勢能在水深較大時占絕對優(yōu)勢,斷面單位能量曲線在水深較小時發(fā)生偏轉(zhuǎn)和彎曲,斷面單位動能所占比例快速增加；3)植被段前、中水流總能量的抬升隨植被密度、植被段長度、淹沒植被高度的增加／相對淹沒度的減小而增加,漸變流植被河道總能量的沿程分布表現(xiàn)為：植被段前基本不變,段內(nèi)逐漸下降,段后與無植被情況基本一致；4)植被密度、植被段長度和植被高度的增加／相對淹沒度的減小會造成植被段內(nèi)水流動能的削減。三、曼寧系數(shù)的理論分析與實驗研究表明：1)含非淹沒、淹沒剛性植被的漸變流植被河道總曼寧系數(shù)與其植被和邊界組分之間存在以植被參數(shù)為系數(shù)的平方和關(guān)系,利用植被參數(shù)修正漸變流植被河道曼寧系數(shù)的同時,可以得到植被曼寧系數(shù)的計算方法；2)不同植被參數(shù)下,總曼寧系數(shù)在進(jìn)植被段時快速增長、段內(nèi)逐漸下降、段后恢復(fù)至段前水平；3)植被段內(nèi)總、植被曼寧系數(shù)的均值都與植被密度、淹沒植被高度存在線性關(guān)系,與植被覆蓋底面積比例、植被段長度、相對淹沒度存在冪函數(shù)關(guān)系。四、湍流結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)果表明：1)植被參數(shù)對漸變流植被河道相對湍流強度的沿程分布有較大影響,三個方向的相對湍流強度均值可判定為順流方向橫切方向垂直方向；2)在中、高植被密度下,植被段內(nèi)相對湍流強度明顯高于段外,其整體均值在低、中密度下較�。�3)不同植被段長度下,植被段內(nèi)的相對湍流強度均明顯高于段外,其整體均值隨植被段長度的增加而增加,但存在一定波動；4)較短的植被斑塊對上游水流的擾動較大,該擾動隨植被段長度的增加而逐漸削弱；5)隨著淹沒植被高度的增加／相對淹沒度的減小,相對湍流強度的沿程變化趨于一致,基本表現(xiàn)為植被段前不變,段內(nèi)先上升后下降的趨勢,其整體均值隨淹沒植被高度的增加／相對淹沒度的減小而輕微增加,但增量逐漸減小。五、本項研究基于理論與實驗分析,得到了以下幾個創(chuàng)新性成果1)提出利用相對淹沒度概化淹沒剛性植被對明渠水流的影響,與植被高度相比,更具普適性；2)總結(jié)了漸變流植被河道的形成條件,對明確植被河道流態(tài)轉(zhuǎn)變機(jī)制具有理論意義；3)定義了垂向流速分布的不規(guī)則系數(shù),可以判定傳統(tǒng)垂向流速分布冪函數(shù)律在植被河道中的適用性；4)研究了植被參數(shù)對能量耗散和湍流結(jié)構(gòu)的影響,可以增進(jìn)對河流邊壁、植被與水流之間相互作用機(jī)制的理解；5)提出了非淹沒、淹沒剛性植被曼寧系數(shù)計算方法,為曼寧公式在漸變流植被河道中的應(yīng)用提供了參考。植被河道水力學(xué)機(jī)制研究是當(dāng)代生態(tài)水力學(xué)和生態(tài)工程學(xué)的前沿領(lǐng)域。本文的研究成果對生態(tài)水力學(xué)的學(xué)科發(fā)展具有理論意義,對河道生態(tài)修復(fù)和濕地構(gòu)建具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TV133
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本文編號：1284961