植物对明渠悬移质输移的影响机理研究

明渠挟沙水流流经植物时，微观紊动结构发生显著变化，呈现强烈的三维运动特性，完全不同于边界层流动。悬移质浓度的垂线分布及输移规律显示出新的特征，Rouse公式不再适用，传统的悬移质输沙率计算方法亦需要改进。本课题拟以紊流力学、泥沙运动力学为基础，在水槽中模拟全断面有植物的矩形河槽及滩地有植物的复式河槽，利用ADV、PIV测量不同植物条件下清水及挟沙水流的脉动流速场，同时利用采样法测定悬移质浓度。分析水流中脉动流速及其概率密度分布、雷诺应力、能谱分布、紊动扩散及动量交换等紊动参数的分布规律及其与悬移质浓度垂线分布的相关关系；揭示植物的刚度，形状、高度、分布密度、分布方式对紊流结构及悬移质浓度垂线分布的影响机理；建立植物对悬移质输沙率影响的指标体系；推导不同植物条件下悬移质输沙率的计算公式。研究成果可为植物影响下的河流输沙计算提供理论和技术支持，丰富和完善泥沙运动力学的研究内容。

明渠水流流经植物时，微观紊动结构发生显著变化，呈现强烈的三维运动特性，完全不同于边界层流动。水流阻力、悬移质浓度的垂线分布、推移质的起动及输移规律都显示出新的特征，传统的水流阻力、泥沙起动流速、水流挟沙力等计算方法需要改进。为了提高水流流速及泥沙浓度的测量精度，本课题探讨了水体特性及颗粒特性对ADV流速测量的影响情况，根据ADV声强信号中含有悬移质浓度信息这一特点，研究了利用ADV来计算悬移质泥沙浓度的方法。以紊流力学、泥沙运动力学相关理论为基础，在水槽中模拟水生植物对水流阻力、悬移质浓度垂线分布、推移质的起动及输移规律的影响。测量并计算水流中脉动流速及其概率密度、雷诺应力等紊动参数，分析植物的刚度，分布密度、淹没度对紊流结构及悬移质浓度垂线分布的影响机理，首次提出紊动扩散势的概念，用来解释泥沙浓度的分布规律。通过分析非淹没刚性植物对水流阻力及泥沙起动规律的影响，推导了有植物条件下的水力半径，给出了新的沙波切应力公式及泥沙起动流速公式。研究成果可为植物影响下的河流输沙计算提供理论和技术支持，丰富和完善了泥沙运动力学的研究内容。