含剛性植物水流中懸移質(zhì)泥沙分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、泥沙是河流生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)非?；钴S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(dòng)力學(xué)中的重要研究課題。當(dāng)水流中含有植物時(shí)，水流的紊動(dòng)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(yàn)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(duì)粗顆粒泥沙沉速的影響，在水槽中模擬剛性淹沒(méi)及非淹沒(méi)植物，進(jìn)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(cè)量，研究了植物因素對(duì)水流紊動(dòng)及泥沙濃

2、度垂線分布的影響，揭示了水流紊動(dòng)對(duì)懸移質(zhì)泥沙分布作用的機(jī)理，取得了以下有價(jià)值的研究成果： (1)剛性植物對(duì)泥沙顆粒沉速的影響當(dāng)植物密度大于0.071或泥沙粒徑大于0.2 cm時(shí)，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(dāng)植物密度小于0.071或泥沙粒徑小于0.2 cm時(shí)，可以認(rèn)為泥沙沉速不受植物的影響。通過(guò)對(duì)泥沙沉降阻力系數(shù)的分析，建立了植物因素對(duì)沉速影響的公式。 (2)有無(wú)植物條件下挾沙水

3、流中泥沙濃度的垂線分布在含淹沒(méi)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(lái)推求(根號(hào)下-(uv)<,max>)，縱向時(shí)均流速可以分為兩個(gè)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(duì)數(shù)分布規(guī)律。利用Rouse公式對(duì)泥沙濃度進(jìn)行計(jì)算表明，在0.65h以上水深，計(jì)算值與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值要大于計(jì)算值，越接近床面，偏離的程度越大。 在含非淹沒(méi)植物的挾沙水流中，邊壁剪切流動(dòng)已經(jīng)不再存在，代之以眾多圓柱繞流的疊加，縱向時(shí)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(méi)植物挾沙水流中的紊動(dòng)特點(diǎn)，假定泥沙擴(kuò)散系數(shù)沿水深為常數(shù)，并給出新的確定方法。 對(duì)比了無(wú)植物、含淹沒(méi)及非淹沒(méi)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(lái)說(shuō)，含淹沒(méi)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(méi)植物挾沙水流中，無(wú)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(dòng)特性分析在含淹沒(méi)植物的挾沙水流中，縱向、橫向及垂向的脈動(dòng)強(qiáng)度均從床面向上逐漸增大，在植物頂部附近達(dá)到最大，然后發(fā)生轉(zhuǎn)折，向上逐漸減小。橫向脈動(dòng)流速的概率密度在垂線上呈左右對(duì)稱分布，偏態(tài)系數(shù)呈均勻分布，絕對(duì)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(cè)點(diǎn)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(dá)到極值，再向上，縱向偏態(tài)系數(shù)開(kāi)始減小并逐漸小于零，而垂向偏態(tài)系數(shù)則開(kāi)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(méi)植物的挾沙水流中，三個(gè)方向的脈動(dòng)強(qiáng)度在垂向上呈均勻分布，三者之間的對(duì)比關(guān)系為橫向最大，縱向次之，垂向最小。橫向脈動(dòng)流速的概率密度在垂向上呈左右對(duì)稱分布，峰值比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布低；縱向及垂向的概率密度在垂

7、向上呈標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，沒(méi)有發(fā)生明顯的正偏或負(fù)偏。 當(dāng)脈動(dòng)流速的偏態(tài)系數(shù)不為零時(shí)，紊流中的介質(zhì)表現(xiàn)出向某一方向紊動(dòng)擴(kuò)散增強(qiáng)的趨勢(shì)，稱之為紊動(dòng)擴(kuò)散勢(shì)。垂向紊動(dòng)擴(kuò)散勢(shì)可以很好地解釋在無(wú)植物、含淹沒(méi)及非淹沒(méi)植物挾沙水流中泥沙濃度垂線分布的變化。在無(wú)植物挾沙水流中，泥沙所受到的紊動(dòng)擴(kuò)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(méi)植物的挾沙水流中，泥沙受到的紊動(dòng)擴(kuò)散作用大大增強(qiáng)，泥沙濃度在垂線上分布的不均勻程度顯著降低。在含非