不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟.pdf
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1、2023年第4期水科学与工程技术9不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟周志华1,余明辉2(1.天津市水利科学研究院,天津3 0 0 0 6 1;2.武汉大学水利水电学院,武汉43 0 0 7 2)摘要:针对行洪河道滩地陆生(水生)植物不均匀分布特点,提出河道水生植物斑状综合糙率赋值方法,运用该方法结合二维水动力数值模拟,计算分析独流减河生态工程实施前后河道行洪能力的变化,验证该方法可行性。结果表明:水生态修复工程建设会雍高河道洪水位,导致河道行洪能力降低,其影响程度和生态修复工程覆盖面积相关,对上游影响比下游大。独流减河设计洪水条件下水位最大雍高值为0.0 6 6 m,发生在河道进口段;流速最
2、大降低0.0 4m/s,发生在沉水植物补种区。关键词:水生植物;斑状糙率;水动力模型;数值模拟中图分类号:TV131D0I:10.19733/ki.1672-9900.2023.04.03Numerical simulation of water flow with uneven patchy distribution of(1.Tianjin Water Conservancy Science Research Institute,Tianjin 300061,China;2.Wuhan University,College of WaterAbstract:According to the
3、 characteristics of non-uniform distribution of aquatic plants in floodplain of flood channel,thispaper proposed a method for evaluating the variegated roughness of aquatic plants.Using this method and two-dimensionalhydrodynamic numerical simulation,the variation of flood discharge capacity of the
4、river before and after the implementationof Duliujian River was calculated and analyzed,and the feasibility of this method is verified.The results showed that theconstruction of aquatic ecological restoration project will hold up the flood level of the river channel,resulting in thereduction of the
5、flood carrying capacity of the river channel.The degree of impact was related to the area covered by theecological restoration project,and the impact on the upstream was greater than that on the downstream,Under the designflood conditions of the Duliujian River,the maximum backwater level was 0.066
6、m,which occurred at the river entrancesection;the maximum flow velocity decreased by 0.04 m/s,which occurred in the submerged plant replanting area.Key words:aquatic plant;variegated roughness;hydrodynamic model;numerical simulation近年来,为改善河湖景观水体水质,我国各省市相继实施大量水生态修复工程,采取较多的措施为恢复河湖水生(陆生)植物、修复建设天然和人工湿地等
7、。水生(陆生)植被一方面可净化水体,在防止水流对河岸侵蚀及维持河床稳定等方面起着重要作用;另一方面,植被增加河床阻力,使水流平均流速减小,降低河道防洪除涝能力。自2 0 世纪初期开始,人们开始关注含植物河道的水动力特性,研究水流和水生植物间相互作用力及水生植物影响下的流场结构,揭示水生植物的阻水特性,并相应开展一系列含植物河道的糙率研究。Ree和Palmer11指出,水流流经柔性植物的渠道实际上是一个动边界问题,水收稿日期 2 0 2 3-0 1-0 9【作者简介 周志华(19 8 0 一),,女(汉族),湖北宜昌人,高级工程师,主要从事防洪减灾、山洪灾害防治等方向研究。E-mail:zzh_
8、文献标识码:BroughnessZHOU Zhihua,YU Minghui?Conservancy and Hydroelectric Power,Wuhan 430072,China)文章编号:16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 9-0 4流和植物的柔韧度是决定特定植物对水流阻力时的主要参数。Kouwen2基于大量水槽试验,提出含淹没柔性植物水流的阻力计算关系式。国内含植物水流糙率研究方面起步较晚。吴福生3 发现含刚性植物水流的曼宁糙率系数随淹没深度增大而增大,含柔性植物水流的曼宁糙率系数随淹没深度的增加而减小。姬昌辉4 研究植物布置间距和淹没深度对曼宁糙率系
9、数的影响,根据量纲分析给出简单计算糙率系数的经验公式。唐洪武5 基于动量平衡模型对含淹没刚性植物水流试验数据进行综合分析,得出植物群的阻力系数经验公式。刘彦东6 利用理论分析和数值模拟方法对含柔性植物的河道水流和含刚性10植物的河道水流进行研究,提出植物对河道水流拖力计算的通用公式,并对含柔性沉水植物河道水力特性进行三维数值模拟。朱红钧7.8 采用室内水渠试验开展生态型河道水流特性试验研究,分析其对水流影响和对水体净化效果。由于水生态修复工程的实施,河道的阻力特性、水流结构特征较传统的河工型河道发生很大改变。研究水生态修复工程对河道泄流能力的影响,在河流生态修复、河道整治及防洪除涝等方面具有重
10、大意义。由于行洪河道滩地水生(陆生)植物种类不一,分布不均匀,所以河道综合糙率值很难确定,这在一定程度上加大河道水力计算的难度。对于植物生长区域,若不考虑植株间局部流场,只是计算河道沿程水面曲线和流场变化情况,可将植物区域视为加糙区,结合不同水生(陆生)植物的空间分布,赋予植物特定的糙率值,从而整个河道糙率就类似斑块状,即“斑状糙率”。1水生植物斑状糙率附加1.1等效附加糙率水生植物对河道泄洪的影响主要体现在植物对水流阻力作用,可用植物的等效附加糙率表征,即:实际河道糙率=不含植物的河道糙率+植物等效附加糙率。植物等效附加糙率示意如图1。水流方向植物H()图1植物等效附加糙率示意图对于水生植物
11、等效附加糙率,委托天津大学采用室内试验的方法,选取滩地真实植物(灌木、乔木、芦苇、草),并施加实际河道流速条件开展了无植物组和有植物组共计53 组水槽试验。通过试验研究分区水体中的植物阻力,并将各分区的植物阻力合成,换算得到不同植物、不同淹没水深条件下表征等效床面阻力的等效床面糙率9 。水生植物阻水试验情况此处不详述。结果表明,植物阻水效果由大到小依次为芦苇 灌木 草 乔木,试验水槽布置、灌木组布置及量测断面分布情况分别如图2,图3。灌木组等效附加糙率计算结果如表1。进水试验段尾门泄水槽图2 试验水槽布置示意图周志华,等:不均匀斑状糙率分布下河道水流数值模拟控制断面无植物组灌木组综合等效附加流
12、速/(m/s)水深/cm400.63020600.44020600.34020根据河道中植物淹没状态,按照植物近壁面层和上部流速较均匀层等效切应力叠加,按照式(1)计算得到总的等效附加糙率n。22H,1/3u,nn=(1+H2u式中n为相应水流条件下的综合等效附加糙率;H为近壁面植物层高度;H2为流速分布较均匀植物层高度;u为平均流速;ui为植物层近壁面部分平均流速;2 为流速分布较均匀植物层平均流速;ni为近壁面植物层单位等效附加糙率;n2为流速分布较均匀水流方向植物层单位等效附加糙率。HH(a)Drop等效附加糙率几稳水栅2023年第4期11#110#19#18#17#16#15#14#1
13、3#12#第丰株灌木第四株润木第三株灌木纳二株灌木第一株鼠木5-55-245-1年流速测量投断面下游斜坡段L100180图3 灌木组布置及量测断面分布情况表1灌木组等效附加糙率计算结果试验平均糙率0.0190.0220.0280.0240.0260.0320.0270.0300.040H/3u2n21+H,H.王Drop11#水面线测量断面水流方向?试验段21021012001.2典型行洪河道等效附加糙率独流减河位于天津市南部,是大清河系洪水的主要人海尾间。近年来,河道实施了生态堤岸和宽河槽湿地改造工程。其中生态堤岸工程沿河道两岸全程绿化,宽度10 0 3 0 0 m不等,滩地临水处栽植千屈菜
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