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非淹没刚性植被对水流阻力和水流能量特性影响的研究

黄文沛  
【摘要】:研究植被与水流的相互影响对于水质净化、水生动植物保护以及河流和湖泊生态修复等具有重要的科学和实践意义。本研究分别采用芦苇杆和圆木棒为实验材料研究非淹没刚性植被密度和植被格局对水流阻力和水流能量特性的影响,提出了采用水面线计算公式来估算水流阻力的方法,通过引入单株植物的能量损失系数亏和分解水力半径的方法分别对传统水面线计算公式进行了修正,并结合实验数据对公式进行验证,计算值与测量值误差均较小,从理论和实验上探讨了植被与水流的相互作用机理。 结果表明,(1)植被密度和植被段的长度对水流总能量、水流动能、断面单位能量和断面单位动量均有影响,水流能量损失随着植被密度的增大而显著增大,而植被段长度的改变对单位距离内水流能量的损失值影响较小。(2)修正后的水面线计算公式的计算精度比传统法的计算精度高,分解水力半径修正法的计算精度在格局实验中比引入单株植物的能量损失系数ζ修正法的计算精度高;密度实验中,总曼宁系数n在植被密度为202株/m2时取得最大值,最大值为0.131,修正水面线计算公式计算得到的单株植被能量损失系数ζ和植被糙率系数nv均在植被密度为108株/m2取得最大值,最大值分别0.00012和0.21:植被段长度和水流流量对n、ζ和nv的影响均不大。(3)水流流量对水流动能和湍动能均有影响,并且在植被段内部水流动能和湍动能均较大,因此植被段内的水流易于引起沉积物的起动和冲刷;植被会使得单位质量水流的平均动能在垂向的分布均匀化,植被内部湍动能的最大值出现在植被段长度为3m的情况下;渠道边壁对水流动能和湍动能也会产生影响。 本研究从理论和实验上分析了植被和水流的相互作用,尝试通过植被对水流能量特性影响的分析探索植被与水流的相互作用机理,试图寻求含植被明渠中植被对水流影响的共同特性。通过引入单株植被能量损失系数ζ和植被糙率系数nv,得到了更适用于含植被渠道的水面线计算公式,并能定量体现植被对水流的影响,为曼宁公式在含植被渠道水流中的应用提供了参考。


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