全流态过程植被水流的能量损失机理研究

The interaction between aquatic vegetation and flowing water under various flow region is an important content of environmental hydraulics research. Classic Nikuradse resistance experiments reveal the energy loss mechanism for small-scale roughness under different flow pattern linked with two characteristic parameters: the Reynolds number and relative roughness height. However, for the aquatic vegetation in shallow water channel or wetland, the size of vegetation is the same order of water depth and should be taken as large-scale roughness. This study expands classic theory of Nikuradse in roughness scale to be applied to aquatic vegetation, and puts forward the relative roughness of vegetation, vegetated Reynolds number and so on the new concept, based on the theories of laminar flow, porous media, the karman vortex street, coherent structure and so on, establishing the energy loss mechanics for laminar flow zone, transition zone and fully developed turbulent zone linked with relative roughness of vegetation and vegetated Reynolds number to explore energy loss mechanism in natural conditions within vegetation. The research achievements can provide hydrodynamics foundation for the structure analysis of flow velocity, migration of pollutants and the correlation between aquatic habitats and flow field, supporting the development of Environmental Hydraulics in theoretical and technical aspects.

探寻各种流态下水生植被与水流的相互作用关系是环境水力学研究的重要内容之一，经典的尼古拉兹阻力试验揭示了基于小尺度颗粒粗糙物影响下水流能量损失机理，展现了不同流态下水流能量损失与两个特征参数即流动雷诺数和沙粒相对粗糙度的关系。然而在浅水河道、湿地等环境中，水生植被的尺寸相对较大，应被看作大尺度粗糙物。基于此，本研究以植被水流为研究对象，仿照经典的尼古拉兹阻流试验，提出植被化的“植被相对粗糙度”、“植被化雷诺数”等崭新概念，依托层流理论、多孔介质理论、卡门涡街理论以及相干结构等理论，建立层流、过渡区、充分发展紊流情况下的全流态植被水流能量损失与“植被相对粗糙度”和“植被化雷诺数”的机理关系，探究天然情况下植被水流的能量损失机理，为植被水流中流场结构分析、污染物迁移、水生生物栖息地与流场的相关关系提供水动力学理论基础，完善环境水力学的理论与应用研究。

本项目以河流生态修复为背景，对植被环境下的水流运动、污染物输移进行研究，将经典的尼古拉兹阻流理论拓展应用到植被环境水流，在研究分析“植被相对粗糙度”、“植被化水力半径”等这些植被化水力学参数的基础上，探寻植被水流能量损失与植被化水力学参数之间的变化规律，建立全流态过程植被水流能量损失统一化的数学表达式。研究成果完善环境水力学的理论与应用研究，为水生态修复提供理论基础和技术支撑。.（1）揭示植被形态因素对紊流结构的影响，并在水流的控制方程中引入植被的形状函数模型，选取适合雷诺应力模式理论，通过解析的方法对控制方程求解得到植被环境下的水流运动特性。.（2）开展污染物输移特性研究，针对挺水植被部分覆盖情况，考虑植被区、混合区以及主槽区的流速分布特点，构建分区模型得到污染物纵向离散系数计算公式，提出植被影响下的纵向离散系数计算方法。.（3）提出植被环境下的阻力系数计算方法，分析不同雷诺数条件下植被群的拖曳力系数变化规律，提出植被的“增阻效应”和“遮蔽效应”机理，并且从定量的角度给出“增阻效应区”和“遮蔽效应区”的识别方法。.（4）建立植被粗糙度、植被相对粗糙度、植被化水力半径以及植被化雷诺数表达式，基于实验数据揭示全流态植被水流能量损失系数与植被化水力学参数之间的变化特点。.（5）研究得到层流条件下植被水流能量损失系数仅与雷诺数有关，紊流条件下的植被水流能量损失系数与植被相对粗糙度有关；分别建立了不同流态下的植被水流能量损失系数表达式，基于数学方法构建了全流态过程植被水流能量损失统一化的数学表达式。