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水生植物改变水沙运动,进而影响河流生境。本文针对水生植物区的水流结构和泥沙淤积开展试验研究,在河流动力学与生态学方面有重要意义。
基于浑水水槽试验,探讨2种柔性沉水植物区流速和紊动强度的分布规律以及泥沙淤积问题。结果表明,与无植物情形相比,沉水植物使平均流速减小,不同株距下矮株、高株和混合植物区流速分别减小17.8%-26.8%、40.4%-67.1%和24.2%-57.9%。水流进入高株和混合植物区时流速急剧减小而后平稳,并随株距减小而减小。此外,建立了植物区应力相对增量与株距的线性关系。
矮株植物区流速垂线分布冠顶以下为二次函数,以上为对数,高株植物区流速分布符合二次函数,而混合植物区呈“?”型分布。考虑株距影响,建立了矮株植物区紊动强度的双高斯垂线分布公式,按公式计算的紊动强度与实测资料较吻合。高株植物区水深0.5H以上紊动强度符合双高斯分布,而混合植物区呈波动变化。冠顶附近出现紊动强度极值,原因在于植物冠顶摇摆和阻力突变产生剧烈紊动。由于植物摆动使得紊动更具随机性,因而紊动强度纵向上呈波动变化。
与紊动强度垂线分布相似,无论高株还是矮株植物,冠顶附近均出现雷诺应力的极值。建立了矮株植物区雷诺应力?(uw)/U2的双高斯函数垂线分布公式(4.7)。雷诺应力以?(uw)/U2为最大,呈各向异性。纵向上雷诺应力?(uw)/U2也呈波动变化。
基于小弗汝德数(Fr≤0.18)条件下植物区淤积试验,提出了相对淤积增量与水流强度和相对株距的非线性关系(5.3)、(5.5)和(5.6)。同样弗汝德数和株距条件下,受流速和紊动的综合影响,混合植物区淤积量最大,高株植物区次之,矮株植物区最小,分别为无植物时的7.3、5.7和1.9倍。相对淤积增量随弗汝德数增加而增强。此外,相对淤积增量随来流含沙量增加线性增大。
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