弯道水流和泥沙运动是水力学和泥沙运动力学的重要研究内容,多年来已取得丰硕的研究成果。已有的弯道水沙研究较少考虑水中的植被因素,而天然河流中多伴有植被生长,加之人类对河流的开发与治理越来越注重人与自然和谐,需要将植被因素纳入到弯道水沙运动研究之中。因此,本论文依托国家自然科学基金项目《滨水植被对河流弯道水流结构及泥沙输移影响机理研究》,在长90m、高和宽各1m的180°弯道玻璃水槽中开展了系列弯道水沙运动动床试验。以中值粒径为0.44mm的石英砂铺设床面,采用有机玻璃棒铺设于弯顶凸岸以模拟天然河道中的挺水植被。论文分析研究了弯顶凸岸刚性挺水植被对表面流速分布、水流三维流速分布、三维紊动强度分布、推移质单宽输沙率及床面形态变化的影响规律,取得的创新成果如下:(1)基于光流法提出一种新的匹配算法,即PyrLK "角点-质心"法。该算法只与图像信息相关,不需对示踪粒子匹配规则进行假定,可避免非示踪粒子质心参与计算而产生的一些误匹配。采用PyrLK "角点-质心"法、匹配几率法和最近邻法在示踪粒子位移较大的简单流场和复杂流场中进行计算对比,结果表明:PyrLK "角点-质心"法在两种流场下匹配效果较好,误匹配较少;匹配几率法适用于简单流场计算,但在粒子运动矢量差异较大的复杂流场计算中会产生误匹配,且对匹配模型参数敏感;最近邻法匹配效果最差,不适用粒子位移较大的流场计算。(2)基于OpenCV视觉函数库,在VisualStudio2010开发环境下采用C++语言开发表面流场计算软件。软件加入了 PyrLK "角点-质心"法、匹配几率法和最近邻法共三种匹配算法以供用户选择。增加参数选择结果预览功能以提高参数选择的准确性与合理性,并增加对示踪粒子轮廓面积的限制功能以减少非示踪粒子提取。计算实践表明,程序运行稳定,运算速度快,满足计算要求。(3)试验结果表明,植被覆盖使弯顶90°断面表面纵向流速沿横断面分布呈明显的"凹大凸小"形式,凹岸侧表面纵向流速显著大于中心区及凸岸侧。植被覆盖使该断面凹岸侧表面纵向流速大于无植被情况,凸岸侧植被区及弯道中心区表面纵向流速显著小于无植被情况。植被覆盖加剧了弯顶前45°断面和弯顶90°断面凹岸侧表面水流向凹岸方向运动,同时也加剧了弯道出口 180°断面表面水流向凹岸方向运动。(4)植被覆盖对弯道上游及弯道下游的水流结构沿程发展均产生影响,表现为:植被覆盖使弯顶及弯顶前凹岸侧环流发展更加剧烈;与无植被情况相比,植被覆盖改变了弯道下游各区的纵向流速分布形态,但植被对弯道下游纵向流速的影响范围因流量大小而不同;无植被覆盖时横向流速在弯道下游沿程减小并逐渐接近于0,而植被覆盖使流量25 l/s和30l/s水下横向流速在弯道下游出现沿程增加情况。(5)植被覆盖显著降低了弯顶90°断面中心线B/2及B/4处的纵向流速、横向流速和垂向流速,其中纵向流速与无植被相比降低60%以上,垂向流速降低到接近为0。纵向流速及横向流速接近"J"形分布,横向流速均指向凹岸。不同流量下纵向流速、横向流速以及垂向流速分布形态较一致。植被区外绕流使90°断面3B/4处的纵向流速沿水深分布图形呈上凸型与下凹型曲线组合形式,且该处速度方向指向凹岸的横向流速也有所增加。纵向流速分布形态的变化程度以及横向流速的增加程度与流量大小相关,流量越小,惯性越小,纵向流速分布形态变化越明显,横向流速增加的越多。(6)植被覆盖显著降低了弯顶90°断面凸岸B/4处及中心线B/2处三个方向的紊动强度,并显著降低了床面附近(y/h≤0.2)紊动强度。与无植被时床面附近最大紊动强度相比,三个方向上的紊动强度均降低60%以上。同时,植被覆盖减小了植被群上游45。断面及植被群下游135°断面凸岸侧B/4处床面附近以上(y/h≥0.2)三个方向上的紊动强度。(7)由于植被覆盖,45°、90°、135°和180°断面B/4处推移质单宽输沙率较无植被情况显著降低,同时45°、90°和135°断面中心线B/2处推移质单宽输沙率较无植被情况有所降低。(8)植被覆盖使弯顶附近的凹岸床面出现冲刷坑,其中流量201/s的冲坑位置位于弯顶,流量25 l/s及30 l/s的冲坑位置位于弯顶以下,而植被覆盖区内的床面变形不剧烈。植被覆盖使植被区下游的床面沙波具有无明显沙波形态、顺直沙波及弯曲状沙波、舌状沙波三种形态,改变了无植被时弯道下游舌状沙波的床面形态。(9)对流量30 l/s的床面高程进行测量。测量结果表明:植被覆盖使90°-135。断面上凹岸床面的冲刷程度远大于无植被情况,而135°-180°断面之间的凹岸侧床面冲刷程度小于无植被情况。弯顶凸岸植被的覆盖使凸岸侧呈先淤积再冲刷再微淤的状态,改变了无植被覆盖时凸岸侧沿程淤积的状态,凸岸侧冲刷区主要出现在90。—150°断面。植被区内的床面高程变化不大。