浅水湖泊沉水植被对水流结构的影响机理研究

紊流是自然水体物质输运的基本动力，其结构直接影响着湖泊物质和能量的循环过程。为掌握湖泊沉水植被的环境和生态效应，回答湖泊植被覆盖区清水形成的内在原因与相关作用过程，必须明确植被对紊动水流结构的影响机理。本项目将野外定点观测与室内水槽试验相结合，以苦草和马来眼子菜两种典型沉水植物为对象，从小尺度水动力过程入手，研究不同湖流条件下不同植被斑块内紊动水流的垂向结构特征，探讨不同植物种类、植株高度和分布密度等对紊动水流结构的影响，揭示植被对水流的作用机制；分析植被影响下水流垂向结构、床面切应力的水平变化及其对悬浮泥沙沉降、沉积物再悬浮的可能影响，阐明浅水湖泊植被覆盖区清水形成的动力机制。

河湖环境水体中的大型水植物直接改变水体动力特性和紊动结构，其改变又进而影响着环境水体中的物质输运和能量循环的过程。大型水生植物对河湖泊生态系统的修复意义重大，因此，含植被水流的研究成为当前流体力学和水生态学交叉学科基础理论研究的热点和重要的方向。本项目以我国浅水湖泊中广泛分布的两种典型沉水植物——苦草和马来眼子菜为试验植物，采用高频高精度的点式三维多普勒流速仪和高分辨率三维多普勒剖面流速仪，开展了多种工况情景下含植被水流的室内水槽试验和典型植被覆盖区的原位三维剖面流速测试。研究发现：1）沉水植被的存在明显地改变了水流，形成了多层水流结构特征，即冠层上部水体、植被冠层内部和介于两者之间的过渡层。植株形态（植物类型）是决定冠层内部水流结构的主要因素，水流条件和植株分布密度则进一步影响其变化量级。2）植被斑块存在改变水流紊动结构，在不同区域冠层底部形成了阻止泥沙再悬浮的微流态；同时，植被斑块从宏观上改变了水平流速结构分布，在局部形成了有利于泥沙沉积的回流和低流速带。3）湖泊风生流水流结构和紊动特性也因植被存在而发生调整，但没有观测到明显结构变化。因其植株形态的差异，苦草和马来眼子菜对水流影响有所不同。本项目通过沉水植被对紊动水流结构的影响机理的研究，揭示了浅水湖泊植被覆盖区清水形成的微观水动力机制。成果即可科学解释水生植被环境和生态效应产生的水动力学机制，也可指导湖泊湿地大型水生植物修复和湿地水质净化工程实践。