植物对水流和泥沙运动影响研究进展.docx

2014年10月WETLANDSCIENCEOctober2014DOI:10.13248/ki.wetlandsci.2014.05.020植物对水流和泥沙运动影响研究进展张英豪1,2，赖锡军1*，姜加虎1(1.湖泊与环境国家重点实验室，中国科学院南京地理与湖泊研究所，江苏南京210008；2.中国科学院大学，北京100049)摘要：植物对水流和泥沙运动有重要影响。在回顾国内外主要研究成果的基础上，将植物对水流和泥沙运动影响(含植物水流问题)研究归纳为三方面，即植物对水流阻力、紊流结构和泥沙运动的影响研究；考虑到问题的重要性，单独讨论了植物的消波与捕沙作用；详细总结了含植物水流问题研究的研究方法和重要结论；指出了当前研究中存在的不足，展望了未来研究趋势。关键词：植物；水流阻力；紊动结构；泥沙运动；河流中图分类号：Q178.1；TV143文献标识码：A文章编号：1672-5948(2014)05-669-08在20世纪70年代，植物对水流和泥沙运动的影响研究已经被广泛开展[1]。针对当时人们盲目追求经济快速发展所造成的河流生态系统退化(水质恶化、蓄水量减少、鱼类和野生生物生境缺失、河流景观价值减少等)问题，一种处理效果好、工程造价低、不需要向水体投放药剂且只要处理得当就不会造成二次污染的生物修复技术成为河流管理的重要手段之一[2]。生物修复技术将植物种植在河道中，能够改善水质、稳定河床、为生物提供栖息地和食物来源；然而，河道中植物的存在，增加了河床阻力，减小了渠道容量，造成河道行洪能力减弱，局部紊流侵蚀能力加强。本文论述了河流中植物对水流阻力、紊流结构和泥沙运动的影响。植物对紊流结构的影响又可以分为对流速垂向分布、雷诺切应力和紊动强度的影响；在泥沙运动方面，单独论述了植物的消波与捕沙作用；在总结了大量国内外研究方法和主要研究成果的基础之上，指出了当前研究中存在的不足，并提出了未来的研究方向。1植物对水流阻力影响研究水流阻力研究是含植物水流问题中最早的研究课题。在20世纪20年代，美国就开始了水生植物的阻力特性研究[3]。目前，植物对水流阻力的研究成果颇多，方法日趋成熟。对含植物水流阻力的研究可以分为两类：一是利用水力学方法[4~6]，计算曼宁糙率系数n、Dar-cy-Weisbach系数f等，揭示植物对水流阻力的影响；二是通过对植被进行受力分析，而得到植物的阻力特性(曼宁糙率系数、拖拽系数CD)。由于[7~9]受诸多因素影响，含植物水流阻力机制十分复杂，不仅受水流条件的影响，植被特性的差异也会造成水流阻力的不同。1.1水流条件对阻力影响研究水流条件对阻力的影响主要是指流速和水深对曼宁糙率系数和植物拖拽系数的影响。考虑水深对阻力系数的影响时，由于处于淹没与非淹没状态下植物的阻流特性不同，将两者分开考虑是很有必要的。当植物高度明显低于水深时，植物产生的阻力可以看成壁面剪切力，糙率系数可以表示为一个有关植物物理特性(高度、刚度等)的函数[10,11]；对于植物高度与水深相差不大或植物高于水深时，植物所产生的水流阻力可以通过累加单株植物的水力学阻力来计算[12]。但NepfHM和KochEW[13]指出，上游植物的存在遮盖了下游植物“(遮盖”效应)，减小了下游植物对水流的阻力作用；且遮盖的强度取决于植物的排列方式，植物随机排列所产生的阻力大于均匀排列所产生的阻力[14]。收稿日期：2013-10-08；修订日期：2014-05-11基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2012CB417000)和国家自然科学基金项目资助。作者简介：张英豪(1991-)，男，汉族，山东省聊城人，硕士研究生，研究方向为环境水力学。E-mail:chinayinghao@126.com*通讯作者：赖锡军，副研究员。E-mail:xjlai@670湿地科学12卷1945年，PalmerVJ[15]绘制了一套不同植物类型的n-UR(U为断面平均流速，R为水力半径)经验曲线，认为在特定的植物类型下，曼宁糙率系数与断面平均流速和水力半径的乘积UR呈函数关系。由于该方法可以根据植物的种类、河道断面平均流速和水力半径，不需要计算就能在n-UR曲线上查出相应的n值，使用方便，曾被美国农业部“水土保持渠道设计手册”推广。含淹没植物的n-UR曲线显示，对于特定的植物类型，n随着UR的增加而减小[16~18]；对于非淹没植物，随着水深的增加，由于植物的阻流面积增大，Manningn值逐渐增大[19]。1.2植物特性对阻力影响研究植物特性对阻力的影响包括植物密度、柔韧度、茎直径以及分布方式等对曼宁糙率系数和拖拽系数的影响。诸多实验结果表明，水流阻力随植物密度的增加而增加[20~23]。对于非淹没性植物，水流阻力随着植物密度的增加而增大；而对于淹没性植物，植