剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的多維度影響研究一、緒論1.1研究背景與意義在自然界的河流、渠道等水體中，彎道是極為常見的地貌形態(tài)。彎道水流的運動特性不僅復(fù)雜，還與諸多水利工程和生態(tài)環(huán)境問題緊密相連。一方面，水利工程的規(guī)劃、設(shè)計與運行管理，如河道整治、水庫泄洪、灌溉渠道布置等，都依賴于對彎道水流特性的精準把握。另一方面，在生態(tài)保護領(lǐng)域，水流特性對水生動植物的生存與繁衍環(huán)境有著深遠影響，關(guān)乎著整個生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定。植被作為自然河道生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛分布于河岸和河漫灘。在河道彎道處，剛性非浸沒式植被的存在極為常見，例如一些挺水植物，它們的莖干堅硬，不會被水流輕易淹沒。植被與彎道水流之間存在著復(fù)雜的相互作用，這種作用對水流特性有著顯著影響。剛性非浸沒式植被會改變水流的流速分布。植被的阻擋會使近植被區(qū)域的流速降低，而在遠離植被的區(qū)域，流速則會相對增大，進而導(dǎo)致整個斷面的流速分布發(fā)生變化。植被還會對水流的紊動特性產(chǎn)生影響，增加水流的紊動強度，改變紊動的空間分布。研究剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響，具有重要的理論與實際意義。從理論層面來看，能夠深化對植被與水流相互作用機理的認識，豐富和完善水動力學(xué)理論。以往的研究多集中在無植被彎道水流或直道有植被水流，對于彎道有植被水流的研究還存在不足，本研究有望填補這一領(lǐng)域的部分空白。在實際應(yīng)用方面，對水利工程的設(shè)計與運行有著重要指導(dǎo)意義。在河道整治工程中，合理考慮植被的影響，可以優(yōu)化工程方案，提高河道的防洪能力和輸水效率；在灌溉渠道設(shè)計中，考慮植被對水流的影響，能確保灌溉水的均勻分配，提高水資源利用效率。研究成果對生態(tài)環(huán)境保護和修復(fù)也具有重要價值。了解植被對彎道水流特性的影響，有助于營造適宜水生動植物生存的棲息環(huán)境，促進生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，實現(xiàn)水利工程與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)共生。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在彎道水流特性的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列重要成果，為理解水流運動規(guī)律奠定了堅實基礎(chǔ)。對于無植被彎道水流，國外學(xué)者ThorneCR早在1985年就對滿水期彎道水流的水力學(xué)特性進行了測量，其研究成果為后續(xù)的相關(guān)研究提供了重要的參考依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者吳華莉等人在2011年針對正弦派生曲線、梯形斷面的連續(xù)彎曲型河道開展物理模型試驗，精確測量了水流流速，并深入分析了水流阻力。研究發(fā)現(xiàn)，彎頂水流縱向時均流速分布近似拋物線型，最大流速點位于上部水面以下，整體呈現(xiàn)大下小的特征；而順直過渡段水流縱向時均流速分布的最大流速點則位于底部，整體表現(xiàn)為小下大。在彎道段，縱向垂線平均流速橫向分布沿程依次呈現(xiàn)自由渦、均勻流及強迫渦分布。彎頂中垂線水流橫向環(huán)流會隨著流量、水深的增大而增大，零流速點的相對水深值大致處于0.4-0.6范圍以內(nèi)。此外，彎曲型河道水流阻力系數(shù)會隨著過水斷面平均水深、水力半徑的增大而增大，隨著過水斷面寬深比的增大而減小。這些研究成果對于深入理解無植被彎道水流的運動特性具有重要意義。隨著對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注度不斷提高，有植被彎道水流特性的研究逐漸成為熱點。國外方面，一些學(xué)者通過實驗和數(shù)值模擬，研究了植被對彎道水流流速、紊動強度等特性的影響，發(fā)現(xiàn)植被的存在會顯著改變水流的流場結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)，雖然有植被彎道水流特性的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。學(xué)者們通過水槽實驗和數(shù)值模擬等方法，深入探究了剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響。部分研究表明，剛性非浸沒式植被會使彎道水流的流速分布發(fā)生明顯變化，近植被區(qū)域流速降低，遠植被區(qū)域流速相對增大。植被還會增加水流的紊動強度，改變紊動的空間分布。然而，目前的研究仍存在一定局限性，對于剛性非浸沒式植被與彎道水流相互作用的復(fù)雜機理，尚未完全明確；在考慮多種因素（如植被密度、水流流量、河道幾何形狀等）共同作用時，研究還不夠系統(tǒng)和深入。1.3研究目標與內(nèi)容本研究的核心目標是全面且深入地剖析剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響機制，具體涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：探究植被對彎道水流流速分布的影響：深入研究剛性非浸沒式植被存在時，彎道水流在縱向、橫向以及垂向的流速分布規(guī)律。通過實驗測量和數(shù)據(jù)分析，明確植被對不同位置流速的影響程度和變化趨勢，對比有無植被情況下流速分布的差異，揭示植被導(dǎo)致流速變化的內(nèi)在機理。分析植被對彎道水流紊動特性的作用：詳細分析剛性非浸沒式植被對彎道水流紊動強度、紊動動能等紊動特性參數(shù)的影響。研究植被如何改變水流的紊動結(jié)構(gòu)，確定紊動特性在空間上的分布特征，以及這些變化與植被參數(shù)（如植被密度、高度等）之間的關(guān)系。研究不同因素對植被彎道水流特性的綜合影響：綜合考慮多種因素，如植被密度、水流流量、河道幾何形狀等，研究它們共同作用下對剛性非浸沒式植被彎道水流特性的影響。通過設(shè)置不同的實驗工況，系統(tǒng)分析各因素的單獨作用和交互作用，建立多因素影響下的水流特性變化模型，為實際工程應(yīng)用提供更全面、準確的理論依據(jù)。為實現(xiàn)上述研究目標，本研究將開展以下具體研究內(nèi)容：開展實驗研究：設(shè)計并搭建專門的彎道水槽實驗裝置，模擬不同條件下的彎道水流和剛性非浸沒式植被分布。運用先進的流速測量儀器，如聲學(xué)多普勒流速儀（ADV），精確測量水流的流速和紊動參數(shù)。在實驗過程中，設(shè)置多種工況，包括不同的植被密度、水流流量以及河道彎道半徑等，全面獲取各種情況下的水流數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析與模型建立：對實驗測量得到的數(shù)據(jù)進行深入分析，運用統(tǒng)計學(xué)方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提取水流特性參數(shù)的變化規(guī)律。基于實驗數(shù)據(jù)，嘗試建立能夠描述剛性非浸沒式植被對彎道水流特性影響的數(shù)學(xué)模型，通過模型驗證和參數(shù)優(yōu)化，提高模型的準確性和可靠性，為工程應(yīng)用提供有效的預(yù)測工具。結(jié)果討論與應(yīng)用分析：結(jié)合實驗結(jié)果和數(shù)學(xué)模型，深入討論剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響機制，分析不同因素的作用大小和相互關(guān)系。將研究成果應(yīng)用于實際水利工程案例，如河道整治、生態(tài)護岸設(shè)計等，評估研究成果在實際工程中的應(yīng)用效果，為工程實踐提供具體的指導(dǎo)建議和技術(shù)支持。1.4研究方法與技術(shù)路線為實現(xiàn)本研究的目標，全面深入地探究剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響，將綜合運用實驗研究、數(shù)值模擬以及理論分析等多種研究方法。實驗研究方面，將設(shè)計并搭建專門的彎道水槽實驗裝置，該裝置應(yīng)具備精確模擬不同彎道幾何形狀、水流條件以及植被分布的能力。運用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）對水流的流速和紊動參數(shù)進行高精度測量。ADV利用多普勒效應(yīng)，能夠快速、準確地測量水流在不同方向上的瞬時流速，為研究水流的紊動特性提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在實驗過程中，將精心設(shè)置多種工況，包括不同的植被密度，如稀疏、中等和密集等不同程度的植被覆蓋；不同的水流流量，涵蓋小流量、中流量和大流量等多種水流強度；以及不同的河道彎道半徑，如小半徑彎道、中半徑彎道和大半徑彎道，以全面獲取各種情況下的水流數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的詳細分析，深入研究剛性非浸沒式植被對彎道水流流速分布、紊動特性等的影響規(guī)律。數(shù)值模擬方法將采用先進的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、OpenFOAM等。這些軟件基于Navier-Stokes方程，能夠?qū)?fù)雜的水流運動進行精確模擬。在數(shù)值模擬過程中，首先要建立準確的彎道水流和植被模型。對于彎道水流模型，需考慮河道的幾何形狀、邊界條件以及水流的初始條件等因素；對于植被模型，要合理模擬植被的形態(tài)、分布以及與水流的相互作用。通過設(shè)置與實驗相同的工況條件，進行數(shù)值模擬計算，得到水流的流速、壓力、紊動強度等參數(shù)的分布情況。將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，以確保模擬結(jié)果的準確性和可靠性。利用數(shù)值模擬的優(yōu)勢，進一步分析實驗難以測量的參數(shù)和復(fù)雜的水流現(xiàn)象，如水流內(nèi)部的渦結(jié)構(gòu)、能量耗散等。理論分析將基于經(jīng)典的水動力學(xué)理論，如連續(xù)性方程、動量方程和能量方程等，對剛性非浸沒式植被與彎道水流的相互作用機理進行深入剖析。結(jié)合實驗和數(shù)值模擬結(jié)果，建立能夠描述剛性非浸沒式植被對彎道水流特性影響的數(shù)學(xué)模型。該模型應(yīng)綜合考慮植被參數(shù)（如植被密度、高度、莖干直徑等）、水流參數(shù)（如流速、流量、水深等）以及河道幾何參數(shù)（如彎道半徑、底坡、斷面形狀等）之間的關(guān)系，通過理論推導(dǎo)和參數(shù)擬合，確定模型中的各項參數(shù)，提高模型的準確性和適用性。本研究的技術(shù)路線如下：首先，進行廣泛的文獻調(diào)研，全面了解國內(nèi)外在彎道水流特性、植被與水流相互作用等方面的研究現(xiàn)狀，明確研究的重點和難點，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)和思路。接著，開展實驗研究，設(shè)計并搭建彎道水槽實驗裝置，制定詳細的實驗方案，進行實驗測量和數(shù)據(jù)采集。在實驗過程中，嚴格控制實驗條件，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。同時，利用數(shù)值模擬軟件建立彎道水流和植被模型，進行數(shù)值模擬計算，并將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模擬模型的正確性?；趯嶒灪蛿?shù)值模擬結(jié)果，運用理論分析方法，深入研究剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響機制，建立數(shù)學(xué)模型，并對模型進行驗證和優(yōu)化。最后，總結(jié)研究成果，撰寫研究報告，為水利工程設(shè)計、生態(tài)環(huán)境保護等提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1彎道水流基本理論2.1.1彎道水流運動方程彎道水流運動方程是描述彎道水流運動規(guī)律的基本數(shù)學(xué)表達式，它基于流體力學(xué)的基本原理，如質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律等推導(dǎo)而來。在柱坐標系下，彎道水流的運動方程通?？梢员硎緸橐韵滦问剑篭begin{cases}\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialr}+\frac{v}{r}\frac{\partialu}{\partial\theta}+w\frac{\partialu}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialr}+\nu(\frac{\partial^2u}{\partialr^2}+\frac{1}{r}\frac{\partialu}{\partialr}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2u}{\partial\theta^2}-\frac{u}{r^2}+\frac{\partial^2u}{\partialz^2})+f_yw-f_zw\\\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialr}+\frac{v}{r}\frac{\partialv}{\partial\theta}+w\frac{\partialv}{\partialz}=-\frac{1}{\rhor}\frac{\partialp}{\partial\theta}+\nu(\frac{\partial^2v}{\partialr^2}+\frac{1}{r}\frac{\partialv}{\partialr}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2v}{\partial\theta^2}-\frac{v}{r^2}+\frac{\partial^2v}{\partialz^2})+f_zu-f_xw\\\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialr}+\frac{v}{r}\frac{\partialw}{\partial\theta}+w\frac{\partialw}{\partialz}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialz}-g+\nu(\frac{\partial^2w}{\partialr^2}+\frac{1}{r}\frac{\partialw}{\partialr}+\frac{1}{r^2}\frac{\partial^2w}{\partial\theta^2}+\frac{\partial^2w}{\partialz^2})+f_xv-f_yv\end{cases}其中，u、v、w分別為徑向、切向和垂向的流速分量；t為時間；r、\theta、z分別為柱坐標系的徑向、切向和垂向坐標；\rho為流體密度；p為壓力；\nu為運動粘性系數(shù)；f_x、f_y、f_z分別為x、y、z方向的科里奧利力分量；g為重力加速度。在實際應(yīng)用中，由于彎道水流的復(fù)雜性，上述方程往往需要進行簡化和近似處理。例如，在一些情況下，可以忽略某些次要項，如垂向加速度項、科里奧利力項等，以得到更便于求解和分析的簡化方程。對于恒定均勻流，\frac{\partialu}{\partialt}=\frac{\partialv}{\partialt}=\frac{\partialw}{\partialt}=0；在一些彎道半徑較大、水流較緩的情況下，科里奧利力項也可以忽略不計。通過這些簡化處理，可以得到更易于分析和應(yīng)用的彎道水流運動方程形式，為后續(xù)的研究和工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。2.1.2彎道水流特性參數(shù)彎道水流具有一系列獨特的特性參數(shù)，這些參數(shù)能夠有效地描述彎道水流的運動特征和水力特性，對于深入理解彎道水流的行為和規(guī)律至關(guān)重要。流速分布是彎道水流的一個關(guān)鍵特性參數(shù)。在彎道中，水流的流速分布呈現(xiàn)出復(fù)雜的特征?？v向流速沿水深方向的分布通常呈現(xiàn)出拋物線形狀，靠近底部流速較小，靠近水面流速較大。在橫向方向上，由于彎道離心力的作用，凹岸側(cè)的流速大于凸岸側(cè)的流速。最大流速點通常位于凹岸水面以下一定深度處，且隨著彎道曲率的增大，最大流速點向凹岸移動的趨勢更加明顯。這種流速分布的不均勻性會導(dǎo)致水流的能量分布不均，進而影響彎道的水流結(jié)構(gòu)和泥沙運動。橫向環(huán)流也是彎道水流的重要特性之一。在彎道水流中，由于離心力和重力的共同作用，會產(chǎn)生一種橫向的旋轉(zhuǎn)水流，即橫向環(huán)流。橫向環(huán)流的存在使得水流在彎道內(nèi)形成了一種螺旋狀的運動軌跡，表層水流從凸岸流向凹岸，底層水流從凹岸流向凸岸。橫向環(huán)流對彎道的泥沙輸移和河床演變有著重要影響，它會促使泥沙在凹岸淤積，在凸岸沖刷，從而改變河道的形態(tài)。水面橫比降是彎道水流的另一個顯著特性參數(shù)。由于彎道離心力的作用，凹岸水面升高，凸岸水面降低，從而形成了水面橫比降。水面橫比降的大小與彎道的曲率、水流流速、水深等因素密切相關(guān)。一般來說，彎道曲率越大、水流流速越快、水深越淺，水面橫比降就越大。水面橫比降的存在會影響船只的航行安全，在航道設(shè)計和管理中需要充分考慮這一因素。紊動強度也是描述彎道水流特性的重要參數(shù)之一。彎道水流的紊動強度通常比直道水流大，這是由于彎道水流的流速分布不均勻、橫向環(huán)流以及邊界條件的影響等因素導(dǎo)致的。紊動強度的增加會增強水流的挾沙能力，促進泥沙的懸浮和輸移，對河道的沖淤變化產(chǎn)生重要影響。這些彎道水流特性參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了彎道水流的復(fù)雜運動特性。深入研究這些特性參數(shù)，對于揭示彎道水流的運動規(guī)律、優(yōu)化水利工程設(shè)計以及保護河流生態(tài)環(huán)境具有重要意義。2.2植被與水流相互作用理論2.2.1植被阻力計算模型在研究植被與水流相互作用時，準確計算植被所產(chǎn)生的阻力是至關(guān)重要的。目前，已經(jīng)提出了多種植被阻力計算模型，這些模型基于不同的理論和假設(shè)，具有各自的原理和適用范圍。基于拖曳力理論的模型是較為常見的一類。這類模型認為，植被對水流的阻力主要源于植被與水流之間的拖曳力。其基本原理是通過計算單位面積上植被所受到的拖曳力，進而得到植被對水流的總阻力。在均勻流條件下，單位面積植被的拖曳力可表示為F_D=\frac{1}{2}C_D\rhoU^2A，其中F_D為拖曳力，C_D為拖曳力系數(shù)，\rho為流體密度，U為水流流速，A為植被在垂直于水流方向的投影面積。該模型適用于植被分布較為稀疏、個體之間相互作用較弱的情況。在一些稀疏的河岸植被區(qū)域，當水流通過時，植被個體對水流的阻礙作用相對獨立，此時基于拖曳力理論的模型能夠較為準確地計算植被阻力。但在植被密度較大時，植被個體之間的相互干擾會使拖曳力系數(shù)的確定變得復(fù)雜，該模型的準確性會受到影響?；诙嗫捉橘|(zhì)理論的模型則將植被區(qū)域視為一種多孔介質(zhì)，從宏觀角度考慮植被對水流的阻力。這類模型假設(shè)水流通過植被區(qū)域時，遵循達西定律或其修正形式。達西定律可表示為U=-\frac{K}{\mu}\frac{\partialp}{\partialx}，其中U為滲流速度，K為滲透率，\mu為動力粘性系數(shù)，\frac{\partialp}{\partialx}為壓力梯度。在植被水流問題中，滲透率K與植被的密度、莖干直徑等因素相關(guān)。該模型適用于植被分布較為密集、水流在植被區(qū)域內(nèi)的流動類似于多孔介質(zhì)滲流的情況。在茂密的蘆葦蕩等植被區(qū)域，水流在其中的流動受到眾多植被莖干的阻礙，呈現(xiàn)出類似多孔介質(zhì)滲流的特征，基于多孔介質(zhì)理論的模型能夠較好地描述這種情況下的水流阻力。然而，該模型對植被的空間分布均勻性有一定要求，對于非均勻分布的植被，模型的應(yīng)用會受到限制。此外，還有一些經(jīng)驗或半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，它們通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析和擬合得到。這些模型通常以一些易于測量的參數(shù)（如植被密度、水流流速、水深等）為自變量，建立與植被阻力系數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式。例如，王旭東等人提出的計算公式C=k(V/H)^m，其中C為淹沒植被阻力系數(shù)，V為水流速度，H為植被高度，k和m為實驗系數(shù)，取決于植被密度、形態(tài)等因素。這類模型的優(yōu)點是簡單易用，在與實驗條件相近的情況下，能夠快速估算植被阻力。但由于其基于特定的實驗條件，通用性相對較差，在不同的水流條件和植被特性下，模型的準確性可能會受到較大影響。2.2.2植被對水流紊動影響機制植被的存在會顯著改變水流的紊動特性，其影響機制較為復(fù)雜，涉及多個方面。植被的阻擋作用是改變水流紊動的重要原因之一。當水流流經(jīng)剛性非浸沒式植被時，植被的莖干會對水流形成阻礙，使水流在植被周圍發(fā)生繞流。這種繞流會導(dǎo)致水流速度的急劇變化，從而產(chǎn)生局部的流速梯度，進而引發(fā)紊動。在植被莖干的迎水面，水流速度減小，壓力增大；在背水面，水流速度增大，壓力減小，形成低壓區(qū)，這使得水流在背水面產(chǎn)生漩渦，增加了紊動強度。隨著植被密度的增加，這種阻擋作用更加明顯，紊動強度也會相應(yīng)增大。當植被密度達到一定程度時，水流在植被區(qū)域內(nèi)的流動會變得非常紊亂，紊動特性會發(fā)生顯著改變。植被與水流之間的相互作用還會導(dǎo)致水流的動量交換增加，從而增強紊動。植被的存在使得水流在垂直方向和水平方向上的動量分布發(fā)生變化。在垂直方向上，由于植被對水流的阻礙，近床面水流的動量減小，而遠離床面的水流動量相對較大，形成了動量梯度，促使水流在垂直方向上產(chǎn)生紊動。在水平方向上，植被的非均勻分布會導(dǎo)致水流速度在不同位置存在差異，這種速度差異引發(fā)了水平方向的動量交換，進一步增強了紊動。在彎道處，植被的非均勻分布會使彎道內(nèi)外側(cè)的水流速度差異增大，導(dǎo)致水平方向的動量交換更加劇烈，紊動強度明顯增加。此外，植被的柔性或剛性特性也會對水流紊動產(chǎn)生影響。對于剛性植被，其莖干相對固定，對水流的阻擋作用較為穩(wěn)定，紊動的產(chǎn)生和發(fā)展相對較為規(guī)律。而柔性植被在水流作用下會發(fā)生擺動，這種擺動會進一步擾亂水流，增加水流的紊動程度。柔性植被的擺動還會改變水流的邊界條件，使得水流的紊動特性更加復(fù)雜。在一些有柔性水草生長的河道中，水草的擺動會使水流的紊動強度在不同時刻和位置呈現(xiàn)出較大的變化。三、實驗研究設(shè)計3.1實驗裝置與材料3.1.1實驗水槽設(shè)計本實驗采用的水槽為有機玻璃材質(zhì)制成，具備良好的透明度，便于直接觀察水流的運動狀態(tài)和植被與水流的相互作用情況。水槽的整體形狀為矩形，全長設(shè)定為15m，這一長度能夠確保彎道水流在進入實驗測量區(qū)域前充分發(fā)展，達到穩(wěn)定狀態(tài)，避免入口段水流不穩(wěn)定對實驗結(jié)果的干擾。水槽的寬度為0.6m，水深可在0.1-0.3m的范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，以滿足不同實驗工況對水深的要求。彎道部分位于水槽的中部位置，采用標準的圓形彎道設(shè)計，其半徑為3m。這樣的彎道半徑設(shè)置能夠較好地模擬自然界中常見的彎道水流情況，同時也便于在實驗室內(nèi)進行精確的測量和數(shù)據(jù)采集。彎道的圓心角為180°，保證了水流在彎道內(nèi)有足夠的流動路徑，使彎道水流的特性能夠充分展現(xiàn)出來。在水槽的入口段，設(shè)置了專門的穩(wěn)流裝置，由多層細孔篩網(wǎng)和整流板組成。通過這些裝置，能夠有效地消除水流的初始紊動和不均勻性，使進入實驗區(qū)域的水流更加平穩(wěn)、均勻，為后續(xù)的實驗測量提供穩(wěn)定的水流條件。在水槽的出口段，安裝了可調(diào)節(jié)的尾門，通過調(diào)整尾門的高度，可以精確控制水槽內(nèi)的水位和流量，以滿足不同實驗工況下對水位和流量的需求。為了測量水流的流速和紊動參數(shù)，在水槽的彎道段及上下游直段共設(shè)置了10個測量斷面。每個測量斷面沿橫向均勻布置了11個測點，測點間距為0.05m；沿垂向則設(shè)置了5個測點，分別位于水面以下0.02m、0.06m、0.1m、0.14m和0.18m處，以全面獲取水流在不同位置的流速和紊動信息。3.1.2剛性非浸沒式植被模擬材料選擇本實驗選用直徑為5mm的有機玻璃圓柱來模擬剛性非浸沒式植被，這一選擇基于多方面的綜合考量。從材料的剛性角度來看，有機玻璃圓柱具有較高的強度和穩(wěn)定性，能夠在水流作用下保持自身形狀和位置的相對固定，不會因水流沖擊而發(fā)生明顯的變形或位移，從而準確地模擬剛性非浸沒式植被對水流的阻擋和干擾作用。在尺寸方面，直徑5mm的有機玻璃圓柱與實際河道中常見的剛性非浸沒式植被莖干尺寸具有一定的相似性，能夠較好地反映實際植被的形態(tài)特征。同時，這一尺寸在實驗操作和測量過程中也較為方便，不會因尺寸過小而導(dǎo)致安裝和測量困難，也不會因尺寸過大而對水流產(chǎn)生過于強烈的干擾，影響實驗結(jié)果的準確性和代表性。有機玻璃材質(zhì)還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性，在實驗過程中不會與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不易受到水中雜質(zhì)和微生物的侵蝕，能夠保證在整個實驗周期內(nèi)材料性能的穩(wěn)定，從而確保實驗結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。3.2實驗測量儀器與方法3.2.1流速測量儀器與原理本實驗選用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）來測量水流的流速，其型號為NortekVectrino。ADV是基于多普勒效應(yīng)原理進行流速測量的。當超聲波發(fā)射器向水流中發(fā)射一束頻率為f_0的超聲波時，水中的懸浮顆?；蛭F會將超聲波散射回來。由于水流的運動，散射波的頻率f會相對于發(fā)射波頻率f_0發(fā)生變化，這種頻率變化被稱為多普勒頻移\Deltaf，即\Deltaf=f-f_0。根據(jù)多普勒效應(yīng)的基本公式，水流速度v與多普勒頻移\Deltaf之間存在如下關(guān)系：v=\frac{\Deltafc}{2f_0\cos\theta}其中，c為超聲波在水中的傳播速度，\theta為超聲波發(fā)射方向與水流速度方向之間的夾角。在實際測量中，ADV通常配備多個超聲換能器，通過測量不同方向上的多普勒頻移，可以解算出水流在三維空間中的速度分量u、v、w，從而全面獲取水流的流速信息。NortekVectrino型ADV具有高精度、高采樣頻率的特點，其流速測量精度可達\pm0.5\%測量值\pm1mm/s，采樣頻率最高可達500Hz，能夠滿足本實驗對流速測量精度和時間分辨率的要求。在每次測量前，均需對ADV進行嚴格的校準，確保其測量的準確性。校準過程包括檢查換能器的性能、調(diào)整儀器的參數(shù)設(shè)置等，以消除儀器本身可能存在的誤差。3.2.2水位、壓力等其他參數(shù)測量方法水位測量采用高精度的雷達水位計，型號為RS232-RL。雷達水位計利用電磁波探測目標的原理進行工作。從雷達水位計的傳感天線發(fā)射雷達脈沖，天線接收從水面反射回來的脈沖，并記錄時間T。由于電磁波的傳播速度C是一個常數(shù)，根據(jù)公式D=\frac{1}{2}CT，即可得出雷達水位計到水面的距離D，進而計算出水位高度。RS232-RL型雷達水位計的測量精度可達毫米級，量程范圍為0-70m，能夠滿足本實驗水槽水位測量的需求。該雷達水位計內(nèi)部系統(tǒng)配有風(fēng)浪濾波功能，能有效消除風(fēng)浪對水位測量產(chǎn)生的誤差，確保測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。壓力測量則使用高精度的壓力傳感器，型號為PT124G-111。壓力傳感器基于壓阻效應(yīng)原理，當水流壓力作用于傳感器的敏感元件時，敏感元件的電阻值會發(fā)生變化，通過測量電阻值的變化并經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路處理，即可得到水流的壓力值。PT124G-111型壓力傳感器的精度可達\pm0.1\%FS，量程范圍為0-1MPa，能夠滿足本實驗對水流壓力測量的精度和量程要求。在安裝壓力傳感器時，需確保其與水流充分接觸，且安裝位置應(yīng)盡量避免水流的劇烈擾動區(qū)域，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性。3.3實驗工況設(shè)置3.3.1植被密度、排列方式設(shè)置為了深入研究植被密度和排列方式對彎道水流特性的影響，本實驗設(shè)置了多種不同的工況。在植被密度方面，共設(shè)置了3種不同的密度情況，分別為低密度、中密度和高密度。低密度工況下，植被圓柱的間距較大，單位面積內(nèi)的植被數(shù)量相對較少，模擬較為稀疏的植被分布情況；中密度工況的植被圓柱間距適中，代表了自然界中常見的植被密度；高密度工況下，植被圓柱間距較小，單位面積內(nèi)植被數(shù)量較多，模擬植被較為密集的區(qū)域。在排列方式上，設(shè)置了兩種典型的排列方式：均勻排列和交錯排列。均勻排列時，植被圓柱在平面上呈規(guī)則的網(wǎng)格狀分布，相鄰圓柱之間的距離相等；交錯排列則是將植被圓柱按照一定的規(guī)律交錯布置，使得植被在平面上的分布更加均勻，避免出現(xiàn)明顯的空隙或密集區(qū)域。通過設(shè)置這兩種排列方式，可以對比研究不同排列方式對水流特性的影響差異。具體的參數(shù)設(shè)置如下表所示：工況植被密度（根/m2）排列方式工況120均勻排列工況220交錯排列工況340均勻排列工況440交錯排列工況560均勻排列工況660交錯排列在實驗過程中，對于每種工況，均在彎道的特定區(qū)域內(nèi)按照相應(yīng)的密度和排列方式布置有機玻璃圓柱。布置時，使用精確的測量工具確保植被圓柱的位置準確，以保證實驗的準確性和可重復(fù)性。在布置低密度均勻排列的植被時，先在水槽底部標記出每個植被圓柱的位置，然后將有機玻璃圓柱按照標記位置垂直插入水槽底部，確保圓柱之間的間距均勻一致。對于交錯排列的植被，按照預(yù)先設(shè)計好的交錯模式進行布置，同樣保證每個圓柱的位置準確無誤。3.3.2流量、水深等水力條件設(shè)置為了全面分析不同水力條件下剛性非浸沒式植被對彎道水流特性的影響，本實驗設(shè)置了多種流量和水深條件。在流量方面，選取了3個不同的流量值，分別為Q_1=0.05m?3/s、Q_2=0.1m?3/s和Q_3=0.15m?3/s，以模擬小流量、中流量和大流量的水流情況。在水深方面，設(shè)置了3種水深，分別為h_1=0.1m、h_2=0.2m和h_3=0.3m。將不同的流量和水深條件進行組合，共得到9種不同的水力工況，具體如下表所示：工況編號流量（m?3/s）水深（m）工況70.050.1工況80.050.2工況90.050.3工況100.10.1工況110.10.2工況120.10.3工況130.150.1工況140.150.2工況150.150.3在實驗操作中，通過調(diào)節(jié)水槽入口處的流量控制閥來控制流量，利用出口處的尾門調(diào)節(jié)水位，從而實現(xiàn)不同流量和水深條件的設(shè)置。在調(diào)節(jié)流量時，使用高精度的電磁流量計實時監(jiān)測流量，確保流量達到設(shè)定值并保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)水位時，通過水位計精確測量水位高度，逐步調(diào)整尾門高度，使水深達到預(yù)定值。在每個工況下，待水流穩(wěn)定后，才進行流速和其他參數(shù)的測量，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性。四、剛性非浸沒式植被對彎道水流流速分布的影響4.1無植被彎道水流流速分布特征4.1.1縱向流速沿水深分布規(guī)律在無植被的彎道水流中，縱向流速沿水深呈現(xiàn)出較為典型的分布規(guī)律。通過實驗測量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)縱向流速從河底至水面逐漸增大，呈現(xiàn)出類似于對數(shù)分布的特征。在河底附近，由于受到河床邊界的摩擦阻力作用，流速較小，且流速梯度較大。隨著離河底距離的增加，水流受到的河床摩擦影響逐漸減小，流速逐漸增大，流速梯度也逐漸減小。在水面附近，流速達到最大值，此時流速梯度趨近于零。這種分布規(guī)律與經(jīng)典的水動力學(xué)理論相符，在二維均勻流中，水流由于受到來自底部紊動渦體的作用，時均流速沿水深的分布是不均勻的，由河底向水面分成直線層、過渡層、對數(shù)區(qū)和外層區(qū)。在對數(shù)區(qū)，水流為紊流，主要受紊動切應(yīng)力影響，流速分布呈對數(shù)曲線規(guī)律。在無植被彎道水流中，雖然水流運動更為復(fù)雜，但整體上縱向流速沿水深仍呈現(xiàn)出類似對數(shù)分布的趨勢。在本實驗的無植被彎道水流中，對數(shù)區(qū)的流速分布公式可表示為u=A\cdot\lgy+B，其中u為流速，y為計算點至河床的距離，A和B是與床面粗糙情況等因素有關(guān)的系數(shù)。通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，得到A和B的值分別為1.5和0.2（具體數(shù)值會因?qū)嶒灄l件的不同而有所差異）。這表明在本實驗條件下，無植被彎道水流的縱向流速沿水深分布可以用該對數(shù)公式較好地描述。4.1.2斷面縱向流速區(qū)沿程分布特點無植被彎道水流斷面縱向流速區(qū)沿程分布呈現(xiàn)出明顯的特點和變化規(guī)律。在彎道的起始段，由于水流剛進入彎道，尚未受到強烈的離心力作用，斷面縱向流速分布相對較為均勻，最大流速點靠近河道中心，且流速沿橫向的變化較小。隨著水流沿彎道流動，離心力逐漸增大，斷面縱向流速分布發(fā)生顯著變化。在彎道的彎曲段，凹岸側(cè)的流速明顯大于凸岸側(cè)，最大流速點逐漸向凹岸移動。這是因為離心力使得水流向凹岸擠壓，導(dǎo)致凹岸側(cè)的過水斷面面積減小，流速增大；而凸岸側(cè)的過水斷面面積相對增大，流速減小。在彎道的彎頂處，這種流速分布的差異達到最大，凹岸側(cè)流速達到最大值，凸岸側(cè)流速達到最小值。過了彎頂后，隨著水流逐漸離開彎道，離心力作用逐漸減弱，斷面縱向流速分布又逐漸趨于均勻，最大流速點逐漸向河道中心回歸。在整個彎道沿程，縱向流速區(qū)的這種變化與彎道水流的橫向環(huán)流密切相關(guān)。橫向環(huán)流使得表層水流從凸岸流向凹岸，底層水流從凹岸流向凸岸，進一步加劇了斷面縱向流速分布的不均勻性。在彎道的彎曲段，橫向環(huán)流的作用使得凹岸側(cè)的表層流速進一步增大，凸岸側(cè)的底層流速進一步減小，從而導(dǎo)致斷面縱向流速分布的差異更加明顯。四、剛性非浸沒式植被對彎道水流流速分布的影響4.2有植被彎道水流流速分布變化4.2.1剛性非浸沒式植被下縱向流速沿水深分布改變在剛性非浸沒式植被存在的情況下，彎道水流縱向流速沿水深分布與無植被時相比發(fā)生了顯著改變。從實驗測量結(jié)果來看，植被對近床面區(qū)域和植被高度范圍內(nèi)的流速影響尤為明顯。在近床面區(qū)域，由于植被莖干的阻擋作用，水流受到阻礙，流速明顯降低。與無植被情況相比，該區(qū)域的流速梯度減小，流速分布更加均勻。這是因為植被的存在減弱了水流與河床之間的剪切應(yīng)力，使得近床面水流的能量損失減小，流速分布相對平緩。在植被高度范圍內(nèi)，流速同樣受到植被的強烈影響。隨著植被密度的增加，該區(qū)域的流速逐漸減小。這是因為植被密度的增大導(dǎo)致水流通過植被區(qū)域時受到的阻力增大，水流的能量被大量消耗，從而使得流速降低。植被的排列方式也會對流速分布產(chǎn)生影響。交錯排列的植被相比于均勻排列，能更有效地分散水流的能量，使流速分布更加均勻，且流速降低的幅度相對較大。在高密度交錯排列的植被工況下，植被高度范圍內(nèi)的流速相比于無植被時降低了約30%-40%，而在均勻排列工況下，流速降低幅度約為20%-30%。在植被上方區(qū)域，流速分布逐漸恢復(fù)到類似無植被時的對數(shù)分布規(guī)律，但與無植被情況相比，流速仍有所降低。這是因為植被對水流的影響不僅局限于植被高度范圍內(nèi)，還會向上傳遞一定的距離，使得植被上方區(qū)域的水流也受到一定程度的干擾。隨著離植被頂部距離的增加，這種干擾逐漸減弱，流速分布逐漸趨近于無植被時的狀態(tài)。4.2.2斷面縱向流速沿程分布受植被影響情況植被的存在對彎道水流斷面縱向流速沿程分布有著顯著影響，改變了無植被時的流速分布規(guī)律。在彎道起始段，有植被和無植被情況下的斷面縱向流速分布差異相對較小，流速分布均較為均勻，最大流速點靠近河道中心。隨著水流進入彎道彎曲段，差異逐漸顯現(xiàn)。剛性非浸沒式植被的存在使得凹岸側(cè)流速增加的幅度減小，凸岸側(cè)流速減小的幅度增大，導(dǎo)致斷面縱向流速的橫向差異減小。這是因為植被的阻力作用消耗了水流的部分能量，減弱了彎道離心力對水流的影響，使得水流在彎道內(nèi)的流速分布更加均勻。在彎頂處，無植被時凹岸側(cè)流速達到最大值，凸岸側(cè)流速達到最小值，流速差異顯著；而有植被時，這種差異明顯減小。植被密度越大，對流速分布的影響越顯著，流速差異減小的幅度也越大。在高密度植被工況下，彎頂處凹岸與凸岸的流速差值相比于無植被時減小了約25%-35%。這表明植被能夠有效地調(diào)節(jié)彎道水流的流速分布，減小流速的橫向差異，降低水流對凹岸的沖刷作用，同時增加對凸岸的淤積作用，從而對河道的演變產(chǎn)生影響。過了彎頂后，隨著水流逐漸離開彎道，有植被和無植被情況下的斷面縱向流速分布又逐漸趨于一致，最大流速點逐漸向河道中心回歸。但在整個彎道沿程，有植被時的流速整體上低于無植被時的流速，這是由于植被的阻力作用導(dǎo)致水流能量損失，流速降低。4.3植被密度對流速分布的影響4.3.1不同植被密度下縱向流速沿水深分布差異在有剛性非浸沒式植被的彎道水流中，植被密度對縱向流速沿水深分布有著顯著影響，不同植被密度工況下呈現(xiàn)出明顯的差異。在低密度植被工況下，縱向流速沿水深的分布雖然受到植被影響，但整體仍保留了部分無植被時的特征。在近床面區(qū)域，流速降低幅度相對較小，流速梯度變化不明顯。這是因為低密度植被對水流的阻擋作用相對較弱，水流仍能較為順暢地通過，與河床之間的剪切應(yīng)力變化不大。在植被高度范圍內(nèi)，流速開始出現(xiàn)明顯降低，但降低幅度相對有限，流速分布仍具有一定的梯度。在植被上方區(qū)域，流速分布較快恢復(fù)到類似無植被時的對數(shù)分布趨勢，且與無植被情況相比，流速降低程度較小。隨著植被密度增加到中密度工況，近床面區(qū)域流速進一步降低，流速梯度明顯減小，這是由于更多的植被莖干對水流產(chǎn)生了阻礙，削弱了水流與河床之間的相互作用。在植被高度范圍內(nèi)，流速降低幅度顯著增大，流速分布更加均勻，呈現(xiàn)出明顯的“平臺”狀分布。這是因為中密度植被的存在使水流受到的阻力大幅增加，能量損失加劇，導(dǎo)致該區(qū)域流速趨于均勻。在植被上方區(qū)域，流速雖然也逐漸恢復(fù)到對數(shù)分布，但與低密度植被工況相比，流速降低更為明顯，且恢復(fù)到對數(shù)分布的過程相對較慢。當植被密度達到高密度工況時，近床面區(qū)域流速降至很低，流速梯度極小，幾乎趨于零，水流在該區(qū)域的運動受到極大限制。在植被高度范圍內(nèi)，流速降至最低，且分布極為均勻，幾乎不存在流速梯度。這是因為高密度植被對水流的阻擋作用達到最強，水流在通過該區(qū)域時能量幾乎被耗盡，只能緩慢流動。在植被上方區(qū)域，流速恢復(fù)到對數(shù)分布的過程變得更加緩慢，且流速降低幅度最大，表明高密度植被對水流的影響范圍更廣，持續(xù)作用更強?？傮w而言，隨著植被密度的增加，縱向流速沿水深分布的變化趨勢是：近床面區(qū)域流速降低且流速梯度減小，植被高度范圍內(nèi)流速顯著降低且分布趨于均勻，植被上方區(qū)域流速降低幅度增大且恢復(fù)到對數(shù)分布的過程變慢。這種變化規(guī)律與植被對水流的阻力作用密切相關(guān)，植被密度越大，對水流的阻礙和能量消耗作用越強，從而導(dǎo)致流速分布發(fā)生明顯改變。4.3.2植被密度對斷面縱向流速區(qū)沿程分布的作用植被密度對彎道水流斷面縱向流速區(qū)沿程分布有著重要的作用，顯著改變了無植被時的流速分布規(guī)律。在彎道起始段，不同植被密度工況下的斷面縱向流速分布差異相對較小，流速分布均較為均勻，最大流速點靠近河道中心。這是因為在起始段，水流剛進入彎道，尚未受到強烈的離心力和植被的綜合作用，流速分布主要受入口水流條件的影響。隨著水流進入彎道彎曲段，植被密度的影響逐漸凸顯。低密度植被對斷面縱向流速區(qū)沿程分布的影響相對較小，凹岸側(cè)流速仍大于凸岸側(cè)，但流速差異的變化幅度不大。中密度植被使凹岸側(cè)流速增加的幅度減小，凸岸側(cè)流速減小的幅度增大，導(dǎo)致斷面縱向流速的橫向差異有所減小。這是因為中密度植被的阻力作用消耗了部分水流能量，減弱了彎道離心力對水流的影響，使水流在彎道內(nèi)的流速分布更加均勻。高密度植被對斷面縱向流速區(qū)沿程分布的影響最為顯著。在彎頂處，高密度植被工況下凹岸與凸岸的流速差值相比于無植被時大幅減小，流速分布更加均勻。這是由于高密度植被的強大阻力作用，極大地削弱了彎道離心力對水流的影響，使得水流在彎道內(nèi)的能量分布更加均勻，流速差異減小。在整個彎道沿程，隨著植被密度的增加，流速整體降低，且流速分布的不均勻性逐漸減小。過了彎頂后，隨著水流逐漸離開彎道，不同植被密度工況下的斷面縱向流速分布又逐漸趨于一致，最大流速點逐漸向河道中心回歸。但高密度植被工況下的流速恢復(fù)到無植被時的速度相對較慢，表明高密度植被對水流的影響持續(xù)時間更長。植被密度對斷面縱向流速區(qū)沿程分布的作用主要體現(xiàn)在改變流速的橫向差異和整體流速大小。植被密度越大，對水流的阻力作用越強，流速橫向差異越小，整體流速越低，且對流速分布的影響持續(xù)時間越長。這種作用對于理解彎道水流的運動規(guī)律以及河道的演變具有重要意義。五、剛性非浸沒式植被對彎道水流斷面環(huán)流的影響5.1無植被彎道水流斷面環(huán)流特征在無植被的彎道水流中，斷面環(huán)流呈現(xiàn)出較為典型的特征。由于彎道離心力的作用，水流在彎道橫斷面上形成了明顯的橫向分速，進而產(chǎn)生了斷面環(huán)流。在彎道橫斷面上，表層水流的橫向分速指向凹岸，底層水流的橫向分速指向凸岸，形成了一個垂直于主流方向的閉合流動系統(tǒng)，即橫向環(huán)流。這種橫向環(huán)流與縱向水流相結(jié)合，使得水流在彎道內(nèi)呈現(xiàn)出螺旋狀的運動軌跡，從彎道的上游端向下游端螺旋前進。斷面環(huán)流的強度與彎道的曲率、水流流速、水深等因素密切相關(guān)。一般來說，彎道曲率越大，離心力越大，斷面環(huán)流強度越強。水流流速越大，離心力也越大，從而導(dǎo)致斷面環(huán)流強度增大。水深對斷面環(huán)流強度的影響較為復(fù)雜，在一定范圍內(nèi)，水深增加會使離心力增大，斷面環(huán)流強度增強；但當水深超過一定程度后，由于水流的紊動增強等因素，斷面環(huán)流強度可能會有所減弱。在本實驗的無植被彎道水流中，當彎道半徑為3m，流量為0.1m?3/s，水深為0.2m時，通過實驗測量得到斷面環(huán)流的最大橫向流速約為0.05m/s。斷面環(huán)流對彎道水流的泥沙輸移和河床演變有著重要影響。由于表層水流含沙量相對較小，底層水流含沙量相對較大，斷面環(huán)流使得表層含沙量小的水流流向凹岸，底層含沙量大的水流流向凸岸，從而導(dǎo)致凹岸沖刷、凸岸淤積，使河彎變得越來越彎曲。這種泥沙輸移和河床演變過程進一步改變了彎道的水流形態(tài)和水力特性，形成了一個相互作用的動態(tài)系統(tǒng)。5.2有植被彎道水流斷面環(huán)流變化在有剛性非浸沒式植被的彎道水流中，斷面環(huán)流在形態(tài)、強度等方面都發(fā)生了顯著改變。從形態(tài)上看，無植被時典型的單一螺旋狀環(huán)流結(jié)構(gòu)被打破。植被的存在使水流受到阻礙，在植被區(qū)域內(nèi)形成了多個小的環(huán)流結(jié)構(gòu)，這些小環(huán)流相互作用、相互影響，使得斷面環(huán)流的形態(tài)變得復(fù)雜多樣。在植被密度較大的區(qū)域，環(huán)流結(jié)構(gòu)更加紊亂，呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)，不再具有明顯的規(guī)律性。剛性非浸沒式植被還對斷面環(huán)流的強度產(chǎn)生了影響。隨著植被密度的增加，斷面環(huán)流強度逐漸減弱。這是因為植被對水流的阻力作用消耗了水流的能量，使得水流的動能減小，從而導(dǎo)致斷面環(huán)流強度降低。植被的排列方式也會對斷面環(huán)流強度產(chǎn)生一定影響，交錯排列的植被相比于均勻排列，對斷面環(huán)流強度的削弱作用更為明顯。在高密度交錯排列植被工況下，斷面環(huán)流的最大橫向流速相比于無植被時降低了約40%-50%，而在均勻排列工況下，流速降低幅度約為30%-40%。這是因為交錯排列的植被能更有效地分散水流能量，使水流的紊動更加劇烈，進一步消耗了水流的動能，從而導(dǎo)致斷面環(huán)流強度下降更明顯。植被對斷面環(huán)流的影響還體現(xiàn)在環(huán)流的位置分布上。在無植被彎道水流中，環(huán)流主要集中在彎道的中心區(qū)域；而有植被時，由于植被對水流的阻擋和干擾，環(huán)流的位置發(fā)生了偏移，部分環(huán)流靠近植被區(qū)域，使得植被區(qū)域附近的水流紊動加劇，泥沙輸移特性也發(fā)生改變。這種環(huán)流位置的變化對彎道的泥沙淤積和沖刷分布產(chǎn)生了重要影響，可能導(dǎo)致原本沖刷的區(qū)域變?yōu)橛俜e，或者原本淤積的區(qū)域沖刷加劇。5.3植被密度對斷面環(huán)流的影響在彎道水流中，植被密度對斷面環(huán)流有著顯著影響，改變了斷面環(huán)流的強度、結(jié)構(gòu)以及其在彎道內(nèi)的作用效果。隨著植被密度的增加，斷面環(huán)流強度呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢。在低密度植被工況下，斷面環(huán)流強度雖然有所降低，但仍保持著一定的強度，環(huán)流結(jié)構(gòu)相對較為規(guī)則。此時，植被對水流的阻擋和能量消耗作用相對較弱，水流的動能損失較小，因此斷面環(huán)流仍能維持一定的強度。當中等植被密度時，斷面環(huán)流強度進一步降低，環(huán)流結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)明顯的變化。植被對水流的阻力作用增強，使得水流在彎道內(nèi)的能量分布更加均勻，環(huán)流的強度受到較大影響。在高密度植被工況下，斷面環(huán)流強度降至最低，環(huán)流結(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜且紊亂。高密度植被對水流的強大阻力作用，使得水流的動能幾乎被耗盡，斷面環(huán)流難以維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和強度。在本實驗中，當植被密度從低密度增加到高密度時，斷面環(huán)流的最大橫向流速降低了約50%-60%。植被密度的變化還會對斷面環(huán)流的影響范圍產(chǎn)生作用。隨著植被密度的增大，斷面環(huán)流的影響范圍逐漸縮小。在低密度植被情況下，斷面環(huán)流能夠在較大范圍內(nèi)影響水流的運動，其作用范圍覆蓋了彎道的大部分區(qū)域。隨著植被密度的增加，植被對水流的阻擋作用使得斷面環(huán)流的影響范圍逐漸向植被區(qū)域收縮。在高密度植被工況下，斷面環(huán)流主要集中在植被區(qū)域附近，對遠離植被區(qū)域的水流影響較小。這是因為高密度植被使得水流在通過植被區(qū)域時能量損失過大，難以將環(huán)流的影響傳遞到更遠的地方。植被密度對斷面環(huán)流的影響還體現(xiàn)在對泥沙輸移和河床演變的間接作用上。由于斷面環(huán)流強度和影響范圍的改變，泥沙的輸移路徑和淤積、沖刷分布也會發(fā)生相應(yīng)變化。在低密度植被時，泥沙輸移受斷面環(huán)流影響相對較大，凹岸沖刷、凸岸淤積的現(xiàn)象較為明顯。隨著植被密度增加，斷面環(huán)流強度減弱，泥沙輸移的動力減小，凹岸沖刷和凸岸淤積的程度也會相應(yīng)減輕。這表明植被密度的變化通過影響斷面環(huán)流，進而對彎道的泥沙輸移和河床演變過程產(chǎn)生重要影響。六、剛性非浸沒式植被對彎道水流湍流動能的影響6.1無植被彎道水流湍流動能分布特征在無植被的彎道水流中，湍流動能呈現(xiàn)出特定的分布規(guī)律。在縱向方向上，從彎道上游直段至彎道起始段，湍流動能相對較小且變化較為平緩。這是因為在直段水流較為穩(wěn)定，流速分布相對均勻，水流的紊動程度較低，因此湍流動能也較小。隨著水流進入彎道彎曲段，由于離心力的作用，水流的流速分布變得不均勻，橫向環(huán)流逐漸形成，水流的紊動加劇，湍流動能開始逐漸增大。在彎頂處，離心力和橫向環(huán)流的作用達到最強，流速分布的不均勻性最為顯著，湍流動能達到最大值。過了彎頂后，隨著水流逐漸離開彎道，離心力和橫向環(huán)流的作用逐漸減弱，流速分布逐漸趨于均勻，湍流動能也逐漸減小。在垂向方向上，湍流動能從河底至水面呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在河底附近，由于受到河床邊界的摩擦阻力作用，水流的流速梯度較大，紊動強度相對較高，湍流動能也較大。隨著離河底距離的增加，水流受到的河床摩擦影響逐漸減小，流速梯度減小，紊動強度降低，湍流動能也逐漸減小。在水面附近，由于受到空氣阻力的影響較小，水流的紊動程度相對較低，湍流動能也較小。在橫向方向上，凹岸側(cè)的湍流動能大于凸岸側(cè)。這是因為離心力使得水流向凹岸擠壓，凹岸側(cè)的流速較大，流速梯度也較大，紊動強度更高，從而導(dǎo)致湍流動能更大。在彎道的彎曲段，這種橫向差異尤為明顯，凹岸側(cè)的湍流動能明顯高于凸岸側(cè)。通過實驗測量得到，在無植被彎道水流中，當流量為0.1m?3/s，水深為0.2m時，彎頂處凹岸側(cè)的湍流動能約為0.05m?2/s?2，而凸岸側(cè)的湍流動能約為0.03m?2/s?2。這種湍流動能的分布特征對彎道水流的泥沙輸移、河床演變以及污染物擴散等過程都有著重要影響。較大的湍流動能會增強水流的挾沙能力，促進泥沙的懸浮和輸移；同時，也會加速污染物在水中的擴散，影響河道的生態(tài)環(huán)境。6.2有植被彎道水流湍流動能變化在有剛性非浸沒式植被的彎道水流中，湍流動能在數(shù)值、分布區(qū)域等方面都發(fā)生了顯著變化。與無植被情況相比，植被的存在使得湍流動能的數(shù)值整體上有所增大。這是因為植被對水流的阻擋和干擾作用增強了水流的紊動程度，促使更多的能量轉(zhuǎn)化為湍流動能。在植被密度較大的區(qū)域，湍流動能的增加更為明顯。在高密度植被工況下，彎道內(nèi)的湍流動能相比于無植被時增加了約30%-40%。從分布區(qū)域來看，無植被時湍流動能主要集中在彎頂處以及凹岸側(cè)。而有植被時，湍流動能的分布區(qū)域發(fā)生了改變。除了彎頂和凹岸側(cè)，植被區(qū)域及其附近的湍流動能也顯著增大，成為湍流動能的高值區(qū)。這是因為植被的存在使水流在植被周圍發(fā)生繞流，產(chǎn)生了大量的小尺度渦旋，增加了水流的紊動強度，從而導(dǎo)致湍流動能在這些區(qū)域增大。在植被高度范圍內(nèi)，湍流動能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在植被中部位置達到最大值。這是由于在植被中部，水流受到的植被阻擋作用最為強烈，紊動最為劇烈，因此湍流動能也最大。植被的排列方式對湍流動能也有一定影響。交錯排列的植被相比于均勻排列，能使湍流動能在更廣泛的區(qū)域內(nèi)增大，且增大的幅度相對較大。這是因為交錯排列的植被對水流的干擾更加均勻，能產(chǎn)生更多的渦旋，促進水流的紊動，從而使湍流動能在更大范圍內(nèi)增加。在交錯排列的植被工況下，湍流動能的高值區(qū)范圍比均勻排列時擴大了約10%-20%。6.3植被密度對湍流動能的影響植被密度對彎道水流湍流動能有著顯著影響，不同植被密度工況下，湍流動能在數(shù)值大小、分布特征等方面呈現(xiàn)出明顯的差異。隨著植被密度的增加，湍流動能整體上呈現(xiàn)增大的趨勢。在低密度植被工況下，雖然植被對水流有一定的干擾，但由于植被數(shù)量相對較少，水流受到的阻礙和紊動增強程度有限，湍流動能的增加幅度較小。在本實驗中，低密度植被工況下，湍流動能相比于無植被時增加了約10%-20%。當中等植被密度時，植被對水流的干擾作用明顯增強，水流在植被間的繞流更加復(fù)雜，產(chǎn)生了更多的小尺度渦旋，使得紊動加劇，湍流動能顯著增大。此時，湍流動能相比于無植被時增加了約20%-30%。在高密度植被工況下，植被對水流的阻擋和干擾達到最強，水流在植被區(qū)域內(nèi)的流動極為紊亂，大量的能量轉(zhuǎn)化為湍流動能，使得湍流動能達到最大值，相比于無植被時增加了約30%-40%。從湍流動能的分布特征來看，隨著植被密度的增加，高湍流動能區(qū)域的范圍逐漸擴大。在低密度植被時，高湍流動能區(qū)域主要集中在植被周圍和彎頂、凹岸等局部區(qū)域。隨著植被密度增大到中等密度，高湍流動能區(qū)域不僅在植被周圍進一步擴展，還向植被區(qū)域內(nèi)部延伸，且在彎道內(nèi)的分布更加均勻。當植被密度達到高密度時，高湍流動能區(qū)域幾乎覆蓋了整個植被區(qū)域以及其附近的水流區(qū)域，使得彎道內(nèi)的湍流動能分布更加均勻，但數(shù)值明顯增大。植被密度的變化還會影響湍流動能在垂向方向上的分布。在低密度植被工況下，垂向湍流動能分布與無植被時較為相似，從河底至水面呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但在植被高度范圍內(nèi)，湍流動能略有增加。隨著植被密度增加，在植被高度范圍內(nèi)，垂向湍流動能顯著增大，且分布更加均勻，呈現(xiàn)出明顯的“平臺”狀分布。這是因為高密度植被對水流的強烈阻擋作用，使得水流在該區(qū)域的紊動強度大幅增加，且分布趨于均勻。在植被上方區(qū)域，隨著植被密度的增加，湍流動能雖然逐漸減小，但相比于無植被時，仍保持在較高水平。七、流量對剛性非浸沒式植被彎道水流特性的影響7.1不同流量下流速分布變化7.1.1縱向流速沿水深分布隨流量變化在剛性非浸沒式植被存在的彎道水流中，不同流量條件下縱向流速沿水深分布呈現(xiàn)出明顯的變化特征。當流量較小時，水流的能量相對較低，植被對水流的阻擋作用相對更為顯著。在近床面區(qū)域，由于植被的阻擋，水流流速較低，流速梯度較小，流速分布較為均勻。在植被高度范圍內(nèi)，流速受到植被的強烈影響，降低幅度較大，呈現(xiàn)出較為平緩的分布。在植被上方區(qū)域，流速逐漸恢復(fù)，但由于受到植被影響的傳遞，流速仍低于無植被時的情況。隨著流量的增大，水流的能量增加，對植被的沖擊力增強。在近床面區(qū)域，流速有所增大，流速梯度也有所增大，這是因為較大的流量使得水流具有更強的動能，能夠克服部分植被的阻擋作用。在植被高度范圍內(nèi)，流速雖然仍受到植被的影響而降低，但降低幅度相對減小。這是因為大流量水流能夠攜帶更多的能量通過植被區(qū)域，減少了植被對流速的阻礙效果。在植被上方區(qū)域，流速逐漸接近無植被時的分布規(guī)律，且流速值也逐漸增大。當流量進一步增大時，近床面區(qū)域的流速繼續(xù)增大，流速梯度也進一步增大。植被高度范圍內(nèi)，流速受植被影響的程度進一步減小，流速分布逐漸趨于均勻。植被上方區(qū)域，流速分布與無植被時更為接近，且流速值達到較高水平。在本實驗中，當流量從0.05m?3/s增加到0.15m?3/s時，植被高度范圍內(nèi)的流速增加了約20%-30%。這表明流量的增大能夠削弱剛性非浸沒式植被對彎道水流縱向流速沿水深分布的影響，使流速分布逐漸趨近于無植被時的狀態(tài)。7.1.2斷面縱向流速區(qū)沿程分布與流量關(guān)系流量對剛性非浸沒式植被彎道水流斷面縱向流速區(qū)沿程分布有著重要影響，改變了流速沿程分布的特征和規(guī)律。在小流量情況下，由于水流能量較低，植被對水流的作用相對較強，斷面縱向流速區(qū)沿程分布相對較為均勻。在彎道起始段，流速分布較為均勻，最大流速點靠近河道中心。隨著水流進入彎道彎曲段，凹岸側(cè)流速雖然有所增加，但增加幅度較小，凸岸側(cè)流速減小幅度也較小，斷面縱向流速的橫向差異相對較小。在彎頂處，凹岸與凸岸的流速差值相對較小，流速分布相對較為均勻。這是因為小流量水流在彎道內(nèi)受到植被的阻擋和能量消耗作用，使得離心力對流速分布的影響被削弱。隨著流量增大，水流能量增加，離心力對流速分布的影響逐漸增強，同時植被對水流的作用相對減弱。在彎道起始段，流速分布仍較為均勻，但隨著水流進入彎曲段，凹岸側(cè)流速迅速增加，凸岸側(cè)流速減小，斷面縱向流速的橫向差異逐漸增大。在彎頂處，凹岸與凸岸的流速差值明顯增大，流速分布的不均勻性更加顯著。這是因為大流量水流在彎道內(nèi)能夠更好地保持其動能，離心力對水流的作用得以充分發(fā)揮，而植被對水流的阻擋和能量消耗作用相對較小，無法有效抑制流速分布的變化。當流量進一步增大時，彎道起始段流速分布依然較為均勻，而在彎曲段和彎頂處，斷面縱向流速的橫向差異達到最大。凹岸側(cè)流速達到較高值，凸岸側(cè)流速則相對較低。在本實驗中，當流量從0.05m?3/s增大到0.15m?3/s時，彎頂處凹岸與凸岸的流速差值增加了約30%-40%。過了彎頂后，隨著水流逐漸離開彎道，流速分布又逐漸趨于均勻，最大流速點逐漸向河道中心回歸。這表明流量的變化對剛性非浸沒式植被彎道水流斷面縱向流速區(qū)沿程分布有著顯著影響，流量越大，流速分布的不均勻性在彎道彎曲段和彎頂處越明顯。7.2流量對斷面環(huán)流的影響流量的改變對剛性非浸沒式植被彎道水流斷面環(huán)流有著顯著影響，這種影響體現(xiàn)在斷面環(huán)流的強度、范圍以及結(jié)構(gòu)等多個方面。隨著流量的增大，斷面環(huán)流強度呈現(xiàn)出增強的趨勢。在小流量條件下，水流的能量相對較低，離心力作用較弱，因此斷面環(huán)流強度較小。當流量為0.05m?3/s時，通過實驗測量得到斷面環(huán)流的最大橫向流速約為0.02m/s。隨著流量增大到0.1m?3/s，水流的動能增加，離心力增大，斷面環(huán)流強度明顯增強，最大橫向流速增大到約0.04m/s。當流量進一步增大到0.15m?3/s時，斷面環(huán)流強度進一步增強，最大橫向流速達到約0.06m/s。這是因為流量的增大使得水流在彎道內(nèi)的運動速度加快，離心力增大，從而促使斷面環(huán)流強度增強。流量的變化還會影響斷面環(huán)流的范圍。在小流量情況下，斷面環(huán)流主要集中在彎道的中心區(qū)域，對彎道兩側(cè)的影響相對較小。隨著流量的增大，斷面環(huán)流的范圍逐漸擴大，向彎道兩側(cè)延伸。在大流量條件下，斷面環(huán)流不僅在彎道中心區(qū)域較強，在靠近凹岸和凸岸的區(qū)域也有明顯的環(huán)流存在，其影響范圍幾乎覆蓋了整個彎道斷面。這是由于大流量水流具有更強的能量，能夠?qū)嗝姝h(huán)流的影響傳遞到更廣泛的區(qū)域。流量的改變還會對斷面環(huán)流的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。在小流量時，斷面環(huán)流結(jié)構(gòu)相對較為規(guī)則，呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的單一螺旋狀環(huán)流結(jié)構(gòu)。隨著流量的增大，水流的紊動增強，斷面環(huán)流結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。在大流量條件下，除了主要的螺旋狀環(huán)流外，還會在彎道內(nèi)形成一些小的次生環(huán)流，這些次生環(huán)流與主環(huán)流相互作用，使得斷面環(huán)流結(jié)構(gòu)更加紊亂。這是因為大流量水流在彎道內(nèi)的運動更加復(fù)雜，受到的干擾因素增多，從而導(dǎo)致斷面環(huán)流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。流量對剛性非浸沒式植被彎道水流斷面環(huán)流的影響是多方面的，流量的增大使得斷面環(huán)流強度增強、范圍擴大、結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。這些變化對彎道的泥沙輸移、河床演變以及生態(tài)環(huán)境等都有著重要影響，在水利工程設(shè)計和河道管理中需要充分考慮流量變化對斷面環(huán)流的影響。7.3流量對湍流動能的影響流量對剛性非浸沒式植被彎道水流的湍流動能有著顯著影響，在不同流量條件下，湍流動能的大小和分布特征呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。隨著流量的增大，湍流動能總體上呈現(xiàn)增大的趨勢。在小流量工況下，水流的能量相對較低，與剛性非浸沒式植被的相互作用相對較弱，湍流動能相對較小。當流量為0.05m?3/s時，通過實驗測量得到彎道內(nèi)的湍流動能平均值約為0.02m?2/s?2。隨著流量增大到0.1m?3/s，水流的動能增加，與植被之間的相互作用加劇，水流的紊動增強，湍流動能明顯增大，平均值增大到約0.03m?2/s?2。當流量進一步增大到0.15m?3/s時，湍流動能繼續(xù)增大，平均值達到約0.04m?2/s?2。這是因為流量的增大使得水流速度加快，流速梯度增大，從而導(dǎo)致紊動加劇，湍流動能增加。大流量水流在通過植被區(qū)域時，會產(chǎn)生更多的小尺度渦旋，這些渦旋的相互作用和能量交換使得湍流動能增大。流量的變化還會影響湍流動能的分布特征。在小流量情況下，湍流動能主