明渠植物对沙波形态变化的影响研究_赵杰.pdf

收稿日期:20201116基金项目:山西省青年科技研究基金资助项目(20130210311);国家自然科学基金资助项目(51004120)作者简介:赵杰(1993)，男，河北衡水人，硕士研究生，主要从事水力学与河流动力学研究工作通信作者:孙雪岚(1978)，女，山西太原人，讲师，博士研究生，硕士生导师，主要从事河流健康研究工作E-mail:tysxlan souhucom【水文泥沙】明渠植物对沙波形态变化的影响研究赵杰1，2，孙雪岚1，郝瑞霞1，姚歌3，张朝瑜1，黄典晨1(1太原理工大学 水利科学与工程学院，山西 太原 030024;2辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006;3兴隆县水务局，河北 兴隆 067300)摘要:沙波在自然河道中广泛存在，其对河床形态的变化起着不可忽视的作用。通过在玻璃水槽中采用有机玻璃棒模拟刚性挺水植物对沙波各种运动形态变化的影响，并引入 MIKE21 水动力数值模型，从宏观与微观两个方面，研究沙波的波长、波宽、波高、波长波宽比、迎流面与背流面波长比等在水中植物影响下的变化现象，探究河道泥沙的群体运动机制，为自然河道中泥沙的治理提供一定的借鉴。结果表明，在挺水植株对水流流态变化的影响下，沙波的波长、波宽、波高沿程形态变化显著，尤其在植株绕流影响下，泥沙颗粒在植株两侧运动速度增大，呈现冲刷的态势，沙波也随之出现复杂的运动形态，植树前后上游沙波形态亦有显著差异。关键词:沙波;植物;流场;MIKE21中图分类号:TV83文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307008引用格式:赵杰，孙雪岚，郝瑞霞，等明渠植物对沙波形态变化的影响研究 J 人民黄河，2023，45(7):4247，67Study on the Effects of Open Channel s Plants on the Change of Sand Wave MorphologyZHAO Jie1，2，SUN Xuelan1，HAO uixia1，YAO Ge3，ZHANG Chaoyu1，HUANG Dianchen1(1College of Water esources Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China;2Liaoning Water Conserrvancy and Hydropower Survey and Design esearch Institute Co，Ltd，Shenyang 110006，China;3Xinglong County Water Authority，Xinglong 067300，China)Abstract:Sand waves widely exist in natural river channels and they play an important role in the change of river bed morphology In this pa-per，by using a plexiglass rod in a glass water tank to simulate the effects of rigid emergent plants on various movement patterns of sandwaves，and introducing the MIKE21 hydrodynamic numerical model，we observed the sand waves in the glass water tank from both macro andmicro perspectives Wavelength，wave width，wave height，wave length-to-width ratio，and front-to-back stream wavelength ratio were affect-ed by plants in water The mechanism of group movement of river sediment was explored，which provided some reference for natural river sed-iment management The test results show that under the influence of the emerging plants to the changes of the flow regime，the wavelength，wave width and wave height of the sand waves change significantly Especially under the influence of the plant flow，the speed of the sedimentparticles on the sides of the plants increases，showing a scouring situation，the movement pattern of sand waves also follows a complex move-ment pattern and there are significant differences in the shape of sand waves upstream and behind tree plantingKey words:sand wave;plant;flow field;MIKE21随着我国国民经济的不断发展，河流在人民日常生活和国家经济建设中扮演着越来越重要的角色，尤其是在居民生活供水与农业灌溉用水方面，更是起着不可忽视的作用。系统研究自然河道中推移质泥沙的运动状况，准确掌握河床冲淤演变规律是充分发挥河流综合效益的前提条件。沙波形态变化是水动力、泥沙性质、各种边界条件共同作用的结果1，是河床形态变化的重要表现形式2。沙波的动态变化经常影响着人类的各类活动，例如航运和近岸工程建设等，尤其是对浅水区的航运影响显著;同时对河底设施构成安全隐患，如取水工程等。因此，研究沙波形态变化对水上航运、设施建设等均有重要的意义。随着水流的运动，推移质颗粒群体在宏观上做各种不同形式的运动，床面形态也随着输沙强度的不同而实时改变3。沙波的形成发展影响着河床阻力及推移质输沙率等，对河道的自然演变有着重要的影响4。关于沙波的形成机制，Cornish5 认为初始沙波的形成是泥沙冲淤的结果，其中沙波横向发展速度主要受近床水流影响。Damgaard 等6 分析了泥沙非均匀度对沙波形态的影响，认为沙波波长、波高随水流强24第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45，No72023 年 7 月YELLOWIVEJul，2023度的变化不受泥沙非均匀度的影响。Werner 等7 归纳了沙波波长随时间的变化规律。沙波运动规律与多种因素存在着密切关系。Coleman 等8 基于水槽试验数据，建立了沙波波速、波高与推移质输沙率之间的函数关系。audkivi9 通过数值试验得出沙波是泥沙颗粒在各种因素共同作用下的宏观表现，并进一步发现沙质推移质输沙率与沙波的波高成负相关关系，河道中植物的阻力作用直接、间接影响着沙波的形态变化，尤其是对水流流态的影响，间接影响了沙波的运动变化规律。Dunn 等10 在矩形渠道中对淹没的刚性与柔性圆棒进行试验研究，发现水流阻力随植被密度的增大而增大。张原锋等11 利用床面形态控制数及床面形态判别方法，研究发现当流量逐渐增大时，床面形态逐渐由沙垄向过渡、动平整方向发展。在天然河道中，外界环境条件复杂，不能保证沙波形态是在观测到的水流条件下形成的，故研究采用室内玻璃水槽试验方法，以基本确保沙波形态与当前水流条件的一致性。在植物对沙波运动形态的影响领域，前人的研究甚少，本文基于推移质模型沙运动的试验数据，分析了植物种植前后，水槽沿程的沙波波高、波长、波宽等的变化情况，并应用 MIKE21 软件对植被影响下的水流流态进行了数值模拟计算，分别从微观与宏观两方面定性、定量地研究刚性植物对沙波形态变化的影响及其变化规律，进而比较分析植物种植前后沙波形态的差异，以期深入理解河床推移质运动的特点与规律，完善动床河道的泥沙治理理论与方法。1试验简介11试验设备本试验是在太原理工大学水利科学与工程学院水工实验室的玻璃水槽内进行的(设备布置见图 1)，水槽长 12 m、宽 04 m、高 05 m，玻璃水槽底部平整度小于 05 mm。水槽模型试验用水由循环供水系统供给，能保证水流状态为恒定流。整个循环供水系统由变频控制水泵提供所需流量，电磁流量计观测实时流量。槽首设有消能栅板，用于稳定水流;水槽末端设有可调节的活页式尾门，垂直于出水口处设有一拦沙筛，水流经尾门后穿过拦沙筛跌入水道。水槽上设有可活动测针架，水槽顶部有带刻度的轨道，可供测针架移动与读取所测断面的位置。在玻璃水槽底部设有自动升降螺杆，可用于调节水槽的坡度。沿水槽纵向自进口起设置了 10 个量测断面，断面间距为 10 m，水槽轨道刻度零点所在的断面记为 0 断面，其余断面依次编号(见图 1)。图 1玻璃水槽纵向剖面示意12试验方案试验采用中值粒径 d50=034 mm 的非均匀塑料沙作为推移质模型沙，塑料沙在目前河工模型试验中运用较为广泛，密度约为 1 050 kg/m3，呈白色半透明状。塑料沙为憎水型轻质沙，在水中的物理、力学性质都较为稳定，且颗粒间一般不存在黏结现象。水槽底部铺约 5 cm 厚的模型沙，试验过程中根据输沙率在水槽首部加沙。为了较真实地模拟刚性挺水植物对水沙运动的影响12，同时考虑到树木的阻力相似，本试验采用有机玻璃棒模拟自然茎秆状的挺水植物(见图 2)，有机玻璃棒高 26 cm、直径 4 mm。试验采用网格结构来固定有机玻璃(模型树)，试验时将模型树固定在网格的圆形孔内。模型树布置采用行列交错方式，其中行距为 9 cm、株距为 8 cm，共 7 排，植物群长 60 cm、宽 24cm，共 25 棵，种植密度为 174 棵/m2，模型树布置示意如图 3 所示。为避免平整床面因初始流量过大冲刷泥沙而破坏底床，试验中水槽流量逐步调节，最终稳定流量为 769 L/s，采用沙莫夫公式计算得泥沙颗粒起动流速为 0041 m/s。图 2模型树图 3模型树布置示意(单位:cm)34人 民 黄 河2023 年第 7 期121试验测量方法沙波是一种垂直于主水流方向的丘状底形，通常将沙波纵剖面中向上隆起的部分称作波峰、向下凹的部分称作波谷，相邻两波谷或波峰之间的距离称作波长，波谷至波峰的铅直距离称作波高。本试验中待沙波发展稳定后，测量其波高、波长、波宽，其测量示意见图 4。其中波高、波长计算公式为h=h1+h22(1)=1+2(2)式中:h1为迎流面波谷与波峰的水深差，h2为背流面波谷与波峰的水深差，1为迎流面波长，2为背流面波长。图 4沙波形态测量示意122试验测试手段本试验通过可活动式测针测读水位、沙波各部位的水深等，测量精度达 01 mm。采用多普勒流速仪测量流速，基于声学多普勒原理测量水体中粒子的运动速度来代表水体运动速度，测量精度达 0001 m/s。水槽流量通过电磁流量计测量，测量原理是基于法拉第电磁感应定律，测量精度可达 001 m3/h。2试验现象及分析21植树前沙波沿程变化大部分试验数据表明，当河槽底部比较平坦时，沙波的波高、波长等都比较均匀。本试验选取了多组形态较为明显的沙波进行量测，如图 5 所示。受玻璃水槽边界的影响，部分沙波失真，所以数据较为离散，本文选取数目较多的沙波来分析其变化的总趋势。植树前沙波各种形态沿程变化规律见图 6，其中红线为拟合的整体趋势线。图 5沙波形态图 6植树前沙波形态变化从图 6