含刚性植被水流条件下悬浮泥沙输移的水动力特性
详细信息 查看官网全文
摘要
河湖沿岸带和湿地区等浅水区域受水动力扰动作用较强烈,低密度的细泥沙颗粒极易因水体的扰动而发生再悬浮,而该区域往往又是大型水生植物的生长区,植物消除水体扰动以及促使细颗粒沉降的能力使得该植被区通常成为泥沙污染物的聚集地。水体扰动产生的沉积物再悬浮作用和水生植物对悬浮颗粒沉降的促进作用之间形成了复杂的耦合响应过程,使得水生植物冠层以下泥水界面的水力学问题变得更为复杂,进而影响了水体中泥沙污染物的迁移和转化的规律。水体扰动和水生植物此消彼长的联动影响机制决定了泥水界面动态的演化过程,表层沉积物的持续扰动和再悬浮,将深刻地影响沉积物界面及其附近的动量传递和物质传输。本文采用水槽实验和数值模拟的方法,对含刚性植被条件下明渠水流结构和泥沙颗粒的输移特征进行了研究。针对天然水生植被的自然条件,所有植株均被简化为圆柱状且没有分枝。模拟采用了典型双圆柱,三圆柱和九圆柱植株排列模型。实验和数值结果显示:当串列双圆柱间距较小时,涡的脱落只在后柱发生,泥沙在前柱沉积,增大圆柱间距,前柱发生涡的分离并带动泥沙悬浮;并列双圆柱两柱间的影响较大,流线在中间密集,使得流速减小产生堵塞效应。三圆柱呈品形和倒品形排列时相邻并列的圆柱间发生堵塞效应。这说明并列植株对水流的阻滞作用较为明显,九圆柱的模拟结果亦证明这点。植株排列密度存在一定的临界值,低于该值时,植被越密集植被间的水流紊动强度越大,底泥沉积物越容易发生再悬浮。高于该值时,流紊动强度随植被密集度增加而减小,泥沙颗粒越容易在植被区域沉积,水生植物表现对悬浮颗粒沉降的促进作用。
引文