工程科学与技术   2019, Vol. 51 Issue (1): 158-164
滩地植被对弯曲漫滩河道主槽二次流发展的影响研究
黄胜, 刘超, 刘兴年     
四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室,四川 成都 610065
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFC0402101);国家自然科学基金资助项目(51609160;51539007);中央高校基金科研业务费专项资金资助项目(YJ201633)
摘要: 滩地植被对河道水沙运动及河床演变具有重要的影响,尤其当洪水期水流漫滩时。为了弄清高密度植被对弯曲主河道水流特性的影响,作者采用模型试验,在弯曲复式河道滩地铺设模型草,模拟天然植被,通过改变上游来流量,研究了高密度植被对主槽二次流涡团高度及涡团中心位置的影响。结果表明,滩地植被对弯中断面附近的二次流涡团高度影响最大,二次流涡团高度在滩地无植被时等于主槽高度,而在滩地有植被后等于主槽高度加上滩地植被冠层高度,此时,滩地植被等效增大了主槽高度。进入弯段后,滩地植被对二次流涡团高度的影响逐渐减小,在弯顶断面可以忽略滩地植被的影响。根据试验结果,提出了不同断面二次流涡团中心位置的预测方法并用不同来源的数据进行检验,发现该方法可以准确预测弯曲主槽中不同断面的二次流涡团中心位置。最后,讨论了二次流相对强度与主槽过流率之间的关系,发现无论滩地是否有植被,最大主槽过流率总是出现在二次流相对强度较小的弯顶断面。在相同水深条件下,主槽过流率在有植被漫滩河道中比无植被河道大。随着主槽水深(相对水深)增大,有植被和无植被工况各断面的过流率差值减小。当主槽水深接近或小于滩地植被冠层高度和主槽高度之和时,弯曲主槽中的二次流涡团沿程变化特性将与非漫滩弯曲河道的二次流涡团沿程变化特性十分相似。
关键词: 弯曲漫滩河道    植被    二次流    预测方法    主槽过流能力    
Influence of Floodplains Vegetation on the Secondary Current Cell in the Meandering Main Channel with Overbank Flows
HUANG Sheng, LIU Chao, LIU Xingnian     
State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., Sichuan Univ., Chengdu 610065, China
Abstract: Floodplain vegetation has an important influence on the flow and sediment transport and river bend migration, especially when flood overflows the main channel. The influence of dense floodplain vegetation on the height of secondary current cell and the position of the center of the cell was investigated through physical experiments in which the artificial grass was deployed on the floodplain to simulate floodplain vegetation. The experimental results indicated that the floodplain vegetation affected the height of secondary current cell most significantly at cross-over sections. The height of the cell was equal to the bankfull level in the non-vegetated channel, but was equal to the sum of the bankfull level and the canopy height. The floodplain vegetation increased the bankfull level equivalently. In a meandering bend, the influence of vegetation on the height of secondary current cell reduced gradually, and then was negligible at the apex section. Based on experimental observations, a method for predicting the position of secondary current cell was proposed and verified using the data from a different source, indicating that this method was capable of accurately predicting the position. Finally, the relation between the relative intensity of secondary current cell and the ratio of main channel discharge and total discharge was discussed. Regardless of whether vegetation was fixed on the floodplain or not, the maximal discharge ratio occurred at apex section in all scenarios. As the main channel depth increased, the difference between the ratios in non-vegetated channel and vegetated channel was reduced. When the main channel depth was close to or smaller than the sum of canopy height and bankfull level, the characteristics of secondary current cell along a meandering reach in the channel with overbank flows would be similar to those in a channel with inbank flows.
Key words: meandering compound channels    vegetation    secondary flows    predictive method    main channel conveyance capacity    

弯曲河道是冲击河流较为常见的河型之一。上游来流量较小时,水流在弯曲主槽内运动。汛期来临时,水流漫过主槽淹没滩地形成弯曲复式河槽。对于主槽两侧滩地生长了大量植被的河道[1],可能出现小水大灾的危害。这是因为滩地植被增加了河道阻力,相同流量下,有植被漫滩河道的水深会比无植被漫滩河道大,会对河道沿岸两侧人民的生命和财产安全构成威胁[2]。对于弯曲复式河槽的研究,Ervine等[3]系统分析了影响弯曲复式河槽过流能力的各种主要因素。Shiono和Muto[4]详细测量了流速、紊动强度、二次流和雷诺应力的沿程变化情况。Ishigaki[5]采用该技术重点关注了弯曲复式河槽中的二次流对泥沙输运和床面形态变化的影响问题,并且率先使用潜水摄像机显现二次流。Shiono等[67]详细观测了定床和动床条件下的弯曲复式河槽二次流沿程发展过程,发现二次流对河床演变(沙波形成)的重要影响。

弯曲主河道中的二次流是由离心力加强的原始二次流和上游滩地水流分量两部分共同组成[89]。具体表现为:在弯顶断面,主槽和滩地水流方向基本相同,导致水流夹角约等于0,所以仅需考虑离心力的作用。在弯中断面附近,由于主槽和滩地水流方向不同(水流夹角大于0°),必须考虑上游滩地水流分量对主槽二次流的影响。上游滩地水流分量又与滩地粗糙度(是否有植被)密切相关[9]。在弯中断面,滩地植被减小了上游滩地水流分量对主槽二次流的贡献,所以,有植被工况的二次流强度比无植被工况小。相反地,滩地植被加强了弯顶断面的过流能力(断面平均流速),使得有植被工况的主槽二次流比无植被工况大。具体来看,当Dr=0.45时,在弯顶断面,有植被弯曲复式河道二次流强度比无植被河道大37%,在弯中断面,有植被弯曲复式河道二次流强度比无植被河道小15%[9]

既然二次流是弯曲河道中的一个重要特性,其强度与流速和水位流量关系的模拟计算结果密切相关,二次流的影响可以用二次流系数定量表达,系数越大,二次流强度越大[10]。研究表明,主槽二次流对横向流速分布和流量计算结果的影响不能忽略,如果忽略,计算结果将产生很大偏差[2,8]。类似地,刘超[11]和Huai[12]等在弯顶断面开展了水深平均流速横向分布的预测,结果发现,忽略二次流(二次流系数取为0)会造成预测结果的显著偏大。因此,无论开展2维解析模型计算[1012]还是3维数值模拟[1314]都必须考虑弯曲复式河槽中主槽二次流的影响。

研究者们对弯曲复式河槽主槽二次流形成机理及二次流沿程发展过程开展了大量研究,但是,还没有专门讨论滩地植被对弯曲主槽二次流沿程发展的影响。本研究旨在定量探讨滩地植被对弯曲复式河槽主槽二次流涡团发展过程的影响,并提出有植被和无植被工况下主槽二次流涡团高度在不同断面的计算方法,最后,讨论二次流强度与断面过流能力之间的关系。

1 试验概况

试验是在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室河流泥沙试验大厅的大型弯曲复式河槽中进行的。整个水槽长35 m,宽4 m,高1 m,滩地坡降为0.001。水槽的主槽弯曲率为1.381。主槽宽(b)0.7 m,漫滩高度(h)为0.14 m,主槽宽深比(b/h)为5。相对水深Dr=(Hh)/H。水槽平面布置见图1(a)(b)。整个水槽表面用混凝土抹平,其曼宁糙率为0.015。水槽尾端设置有尾门以调节水面坡降与滩地床面坡降近似相等,所有试验均是在准均匀流条件下进行的。由于研究滩地植被对漫滩河道主槽二次流的影响,因此,作者分别开展了滩地有淹没植被(MV1~3)和无淹没植被(MN1~3)两个系列试验。试验详细参数见表1。所有工况均是在充分发展的紊流条件下开展的,雷诺数Re=19 000~42 000(Re= $\dfrac{{QR}}{{A\nu }}$ RA分别为断面水力半径和面积, $\nu$ 为运动黏度, $ \nu$ 为0.01 cm2/s)。

图1 水槽及试验弯段平面图 Fig. 1 Plan view of channel and test sections

表1 试验参数 Tab. 1 Experimental parameters

天然河流中,由于滩地靠近水源且阳光充沛,植被生长良好且密度大。汛期时,洪水漫滩,滩地植被会极大地影响主槽水流结构[1,1516]。为了模拟滩地植被,本试验滩地两侧铺设有密度均匀且柔性较好的人工草。草的单株直径(d)为(0.6±0.1) cm,平均高度(hv)为4.25 cm。横向和纵向铺设间距均为3 cm,因此,植被密度(n)为1 111株/m2(参考天然河道植被密度400~1 500株/m2[17]和200~2 000株/m2[18]选定的)。因此,单位阻水面积aa=nd)为6.67 m–1,Nepf[19]研究表明,当植被满足ahv>0.1时,植被对水流的影响会变得非常类似。本研究选定的柔性草(ahv=0.28)满足高密度植被的临界条件。所以,本研究选定的植被密度是比较有代表性的高密度植被,即便滩地植被密度继续增大,也会产生和本研究试验结果类似的现象。所以,本研究结果对于高密度淹没植被的弯曲河道有广泛适用性[9]

根据弯曲复式河槽中二次流的形成机理,主槽二次流由上游滩地水流的分量和离心力加强的原始二次流两部分组成,其中,上游滩地水流分量与滩地植被密切相关[89]。本试验主要测量断面为出弯段面(CS3)至弯顶段面(CS7)。因为研究植被对弯曲主槽二次流的影响,所以流速测量主要在主槽中完成。弯曲主槽中的每个断面布置了13条测量垂线,横向坐标分别为y=5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60和65 cm(图1(c)),每个测量点垂向间隔为1.5 cm。试验过程中,整个河道流量(Q)通过设置于水槽首端的三角量堰读取,水深及3维流速分别采用多维度测控系统和多普勒声速3维流速仪(ADV)测量。杨克君等[20]给出了漫滩河道中脉动流速与时均流速和采样时间的关系,当采样时间达到某一数值(野草条件下约为7 s)后,即便开展更长时间的采样也将得到与该结果很接近的时均流速值,考虑到工作量的问题,对于每个测量点,采样时间和采样频率分别设为30 s和50 Hz。采用ADV配套的软件处理原始数据,得到3个方向上的时均流速:水流方向流速U、横向流速V和垂向流速W。主槽过流量(Qmc)通过积分各断面测量的水流方向流速获得。

2 试验结果 2.1 滩地植被对主槽二次流高度及其中心位置的影响

为了探究滩地植被对主槽二次流窝团沿程发展的影响,图2给出了不同断面的二次流平面分布。

图2 滩地无植被和有植被工况的二次流分布(Dr=0.45) Fig. 2 Secondary current cells in smooth and grassed channels at Dr=0.45

图2中可以看出:在弯道直线段(CS3~CS5),在无植被工况中(图2左侧5幅图),主槽二次流涡团高度(h0)几乎不变,等于主槽高度h,即h0=h;在有植被工况中(图2右侧5幅图),滩地植被的存在增大了主槽二次流涡团的高度,增大高度正好为植被冠层(hv),即h0=h+hv,这是因为在该区域内二次流涡团高度发展主要受上游滩地水流的限制。在滩地有植被的工况中,植被增大了滩地阻力使得水流更倾向于在植被冠层以上区域(即Hz>h+hv)流动,而高密度植被冠层以下区域(hv+hzh)流速很小,仅为1.9 cm/s(仅为滩地水流平均流速的7%[2]),所以,冠层以下区域水流对于主槽二次流的影响可以忽略不计。换言之,主槽二次流所受影响几乎全部来自滩地植被冠层以上区域的水流,所以,在CS3~CS5断面,二次流高度由无植被工况中的主槽高度(h0=h)增大到了有植被工况中的植被冠层高度(h0=h+hv)。例如,在CS5断面,无植被工况中h0=(13.0±1.5) cm,有植被工况中h0=(16.0±1.5) cm正好等于15.8 cm (13.0+2.8) cm。进入弯段(CS5~CS7断面)后,二次流涡团高度沿程逐渐增大,并在弯顶断面(CS7)达到最大。此时,窝团占据了整个主槽过流区域。这是因为当进入弯段后,由于滩地水流和主槽水流的夹角随着弯段沿程减小,滩地水流对主槽二次流的影响也随弯段沿程减小。所以,滩地植被对主槽二次流的影响也逐渐减弱。在弯顶断面时,主槽和滩地水流方向几乎平行,此时滩地水流对主槽二次流的影响可以完全忽略[89],因此,无论滩地有植被还是无植被,二次流涡团高度都在弯顶断面达到最大,即h0=H。所以,总的来看,滩地植被对主槽二次流涡团高度的显著影响主要体现在弯中断面(例如CS4断面),高密度滩地植被增大了主槽二次流涡团高度;而在入弯后的断面(例如CS7断面),滩地植被对二次流窝团的影响很小。

由于弯曲漫滩河道主槽中的二次流涡团关于涡团中心旋转对称[4,9],所以,涡团中心高度通常出现在涡团高度的1/2高度处,即h0(c)=1/2h0。前人研究表明二次流涡团中心处的横向流速总是满足V=0 cm/s[6,89,21]。为了找出二次流窝团中心,图3给出了MN1工况(Dr=0.45)入弯断面(CS5)二次流涡团中心处的横向流速的垂向分布。由图3可以看出,二次流涡团中心出现在z=(7.0±1.5) cm,正好为整个涡团高度(13.0±1.5) cm的二分之一。此时,二次流涡团沿顺时针方向旋转。另外,结合之前滩地植被对二次流涡团中心高度的影响也是类似的。具体来讲,图2中的蓝色虚线代表滩地有植被和无植被工况的涡团中心高度差Δh(蓝色箭头位置)。图2表明:在弯中断面(CS3~CS5),有植被工况和无植被工况的主槽二次流涡团中心高差Δh=1.6~2.3 cm,约等于hv/2 (1.4±0.1) cm;随着断面进程的发展,二次流涡团中心高度差越来越小,例如,在CS6,Δh=0.6 cm,在弯顶断面(CS7),Δh=0 cm,说明滩地植被对涡团中心高度没有影响。

图3 二次流涡团高度示意(工况MV1的CS5断面) Fig. 3 Schematic of the height of the secondary current cell at CS5 in MV1

2.2 二次流涡团中心高度的预测方法

从上述分析来看,二次流涡团中心与主槽水深、漫滩高度、滩地植被冠层高度和断面位置密切相关。当滩地无植被时,出弯断面的二次流涡团高度h0(c)=h/2,而在弯顶断面,h0(c)=H/2;当滩地有植被时,出弯断面的二次流涡团高度h0(c)=(h+hv)/2,而在弯顶断面,h0(c)=H/2。因此,高密度植被的漫滩河道主槽高度可以近似认为等于h+hv。据此,作者尝试给出二次流涡团中心高度的计算方法。

在弯中断面(CS3~CS5),二次流涡团计算公式为:

${h_{0({\rm c})}}={{\left( {h+{h_{\rm{v}}}} \right)} /2}$ (1)

在弯顶断面(CS7),二次流涡团计算公式为:

${h_{0({\rm c})}}={H /2}$ (2)

在弯中断面(CS6),为简化计算,假设入弯后二次流涡团中心随断面位置变化而线性变化,因此,二次流涡团中心计算公式为:

$ {h_{0({\rm c})}}={{\left[ {H - 0.5\left( {H - h - {h_{\rm{v}}}} \right)} \right]} /2} $ (3)

当滩地无植被时,hv=0 cm。因此,式(1)和(3)可以进一步简化以应用在滩地无植被的漫滩弯曲河道中。需要注意的是,有植被工况中的滩地植被必须为高密度植被(满足ahv> 0.1[2,19])。由于二次流涡团中心高度与二次流涡团高度满足关系h0(c)=h0/2,因此,式(1)~(3)也可用于预测不同断面的二次流涡团高度。

为验证式(1)~(3)的预测准确性,选用了本试验的测量数据及Shiono和Muto的数据(文献[4]图8(b)和(c)),将计算值与实测值进行比较如图4所示,发现无论滩地是否有植被,不同试验条件下的测量值与本文公式的预测值都吻合良好,因此式(3)处假设涡团中心随断面位置变化而线性变化是合理的。需要注意的是,本研究采用的是120°的圆弧作为弯段曲线,如果用其他曲线(例如sin函数),线性的假定需要进一步讨论。

图4 二次流中心高度预测值与实测值比较 Fig. 4 Comparison between the predicted and measured height of the center of secondary current cell

2.3 过流能力与二次流强度的关系研究

在弯曲河槽中,二次流的强度与河槽的过流能力具有密切关系,作者采用主槽流量Qmc与河槽总流量Q的比值表征主槽过流率(过流能力);采用主槽断面横向平均流速与断面水流方向平均流速的比值表征二次流的相对强度。图5给出了不同条件下各弯段的二次流相对强度与主槽过流率的关系,其中,空心圆圈点表示无植被工况,实心方块表示有植被工况。由图5可以看出:1)无论滩地是否有植被,各工况的最大主槽过流率总是出现在二次流相对强度(V/U≈–0.2~0)较小的断面(弯顶断面CS7)。在弯顶断面,流速及雷诺应力的分布较为均匀[22],因此,无论是滩地有植被还是无植被工况,弯曲复式河槽中的水位流量关系预测一般建议选在弯顶断面[2,22]。2)滩地有植被后,对于有相同相对水深的工况(例如,Dr=0.35,绿色空心圆圈和实心方块),有植被漫滩河道中的主槽过流率比无植被河道的过流率大。这是由于滩地有植被而主槽没有植被,因此,植被增大了滩地阻力,更多的水流从无植被弯曲主槽(阻力相对更小)向下游运动。3)随着水深(相对水深Dr)的增大,有植被和无植被工况各断面的过流率差值减小。例如,当相对水深为Dr=0.26时(蓝色点),有植被工况的Qmc/Q(0.60~0.67)比无植被工况的Qmc/Q(0.27~0.33)高约110%。需要注意的是,在MV3工况中(蓝色实心方块点),由于滩地植被高度加上漫滩高度(18.1 cm)几乎等于主槽水深(18.8 cm),所以,这时弯曲河道水流各项特性十分近似于非漫滩水流,水流集中在弯曲主槽中通过,尽管滩槽宽度比为b/B=0.175,但主河槽主要承担过流任务,使得平均主槽过流率约为60%。另外,如果滩地为非淹没高密度植被条件(hv+h>H),此时,弯曲主槽中的二次流涡团特性将与非漫滩弯曲河道的二次流涡团特性相似,具体可见Shiono和Muto[4]的观测结果。

图5 主槽不同水流条件下各弯段二次流相对强度与主槽过流率关系 Fig. 5 Relation between the relative intensity of secondary current cell and the ratio of main channel discharge and total discharge in different flow conditions

3 结 论

1)滩地植被能够影响弯曲河道漫滩主槽二次流涡团的垂向发展。在弯道直线段(CS3~CS5),因为滩地水流的影响,二次流涡团被限制在主槽高度(植被条件下为冠层高度+主槽高度)附近,进入弯段后(CS5~CS7),二次流涡团高度逐渐增大,最后在弯顶断面(CS7)达到最大。

2)二次流涡团中心与主槽水深、主槽高度、滩地植被冠层高度和断面位置密切相关。在高密度植被条件下,弯前断面h0(c)=(h+hv)/2;主槽水流进入弯曲河道后,二次流涡团中心沿程线性增大,h0(c)=[H–0.5(Hhhv)]/2;在弯顶断面,h0(c)=H/2。当取hv=0 cm时,这些公式可应用于滩地无植被的漫滩河道。

3)二次流相对强度与主槽过流率有密切关系:无论滩地是否有植被,最大的Qmc/Q总是出现在V/U较小的断面。有植被漫滩河道的主槽过流率比无植被漫滩河道的过流率大。随着水深(相对水深Dr)的增大,有植被和无植被工况各断面的过流率差值减小。当最大水深接近或小于主槽高度和滩地植被高度之和时,弯曲主槽中的二次流涡团沿程变化特性近似于非漫滩弯曲河道的二次流涡团沿程变化特性。

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