沙波与植物复合床面明渠紊流结构及泥沙输移研究结题摘要

沙波与植物共存条件下的明渠紊流结构和泥沙运动研究，涉及到水、沙、植物三者之间的相互作用，是水环境治理与水生态系统修复研究的重要基础。本项目采用水槽试验和理论分析相结合的方法，利用声学多普勒流速仪、粒子图像测速系统以及图像处理技术等，对沙波与植物复合床面条件下的明渠紊流特性和泥沙输移规律进行了详细的研究，获得了沙波床面、植物床面和沙波与植物共存条件下明渠水流的时均流速、紊动强度分布规律及拟序结构特征，通过象限分析法得到了不同床面条件的平均喷射和清扫周期以及各象限事件占总量的比例，并对沙波床面喷射和清扫的强度分布进行了统计分析，建立了综合考虑沙波和植物因素的明渠推移质输沙率公式。本项目的研究成果丰富了明渠紊流和泥沙运动力学理论，完善了松散和柔性边界水沙动力学研究，同时为天然河流演变分析以及河流环境生态治理提供科学依据。 2100433B

沙波与植物共存条件下的明渠紊流结构和泥沙运动研究，涉及到水、沙、植物三者之间的相互作用，是水环境治理与水生态系统修复研究的重要基础。本项目拟采用天然沙塑造沙波作为明渠床面松散边界，采用具有一定刚度的塑料片来模拟天然植物形成的柔性边界，利用超声波流速仪、粒子图像测速系统以及图像处理技术等，对沙波与植物复合床面条件下的明渠紊流特性和泥沙输移规律进行详尽细致的研究，定量描述三维可动沙波和植物共存条件下明渠水流的时均流速、紊动强度分布规律及拟序结构特征，确定泥沙颗粒跃移、扬动的判别指标和临界条件，揭示水、沙、植物相互作用机制，建立综合考虑沙波和植物因素的输沙率公式。本项目的研究成果将丰富明渠紊流和泥沙运动力学理论，完善松散和柔性边界水沙动力学研究，同时为天然河流演变分析以及河流环境生态治理提供科学依据。

紊流拟序结构是明渠水流结构的重要研究内容，对河流中泥沙运动和污染物输移有很大的影响。植物是具有完备生态功能河道的重要特征，与无植物明渠相比，植物糙元改变了紊流拟序结构，从而导致了紊流的机理和类型发生变化，同时这些紊流微观细部结构的改变会引起泥沙运动和污染物输移以及河流中物质交换的变化。本项目拟采用粒子图像测速技术进行实验室模拟植物条件下的河道流场测量，结合理论分析，对植物糙元作用下的明渠紊流拟序结构进行细致的研究，通过研究紊流的各阶流速统计矩，对紊流类型进行判定，通过研究相干涡结构的形成、沿程发展过程，对紊流类型进行验证。在此基础上，进一步寻求决定紊流类型的关键影响因素。项目的成果有望为生态河道的泥沙运动和污染物输移研究提供依据。

本研究采用圆柱棒模拟植物，利用ADV测量流场，并结合流动显示技术，对植物条件下明渠结构进行了实验研究。主要针对植物局部阻力系数、紊流统计矩、紊流特征长度（渗透深度和零平面位移）、紊流拟序结构进行了研究，发表相关文章12篇（标注论文7篇），待出版著作2部，授权发明专利2项，实用新型专利1项，获软件著作权1项，获得教育部优秀成果技术发明二等奖1项（本人排名6），协助培养博士2名、硕士1名，独立培养硕士4名，参加国内学术会议1次，国际学术会议1次，完成了项目的预期成果指标。主要的研究成果概括如下： 1、基于受力分析，提出了局部水流阻力、局部植被阻力、局部植被阻力系数的公式的形式，结合ADV流场测量结果，运用ACI分析方法，建立了植物局部阻力系数经验公式。根据植物局部阻力系数沿水深分布规律，将植物内层分为三个区域：（1）类非淹没区（局部植物阻力系数沿水深不变的区域，植物顶层的涡不能扩展到此区域，类非淹没区的上限近似为渗透深度）（2）增长区（局部植物阻力系数沿水深增大的区域）（3）减小区（局部植物阻力系数沿水深减小的区域）。研究为植物水流的精细模拟提供了依据，也为植物层内部紊流机理的研究提供了思路。 2、对断面平均流速、植物淹没度、植物密度对于紊流统计一阶、二阶、高阶矩（平均流速、紊动强度、雷诺应力、偏态系数、峰态系数）的影响进行了实验研究。实验表明，植物和水流条件对于一阶、二阶矩影响明显，对于高阶矩影响不明显。通过渗透深度的定义和雷诺应力的分布，对渗透深度进行了研究，发现淹没度和植物的刚柔度对其影响明显。根据零平面位移厚度的定义和雷诺应力分布、流速分布，计算了不同工况下的零平面位移厚的，其变化趋势和渗透深度近似。 3、运用流动显示技术（荧光钠素为示踪剂）、PIV技术和数字图像处理技术，对植物条件下明渠紊流拟序结构进行了研究。实验结果表明，植物的存在改变了明渠条件下的紊流结构，与无植物明渠存在明显差异。根据拟序结构特性，将流动划分为三个区域：植物内层区，为弱猝发现象与类卡门涡街的综合作用；植物顶部附近区，紊流结构及类型复杂，既有猝发过程，也存在自由混合层中大涡配对现象，其中猝发频率及喷射高度与淹没度及流速成正相关；植物外层区，与自由剪切紊流类似，表现为涡体拉伸及紊流的间歇性。 2100433B

强水流是一种常见的自然现象，具有强冲击、强冲刷和强输沙能力等特点。它经常发生于堤坝溃决过程中，造成非常严重的后果。进行强水流作用下推移质输移规律的研究是水沙动力学领域的前沿问题，具有重要的科学价值和工程意义。本项目通过水槽试验、理论分析和数值模拟相结合的方法开展研究，研究成果主要包括：（1）溃坝强水流作用下，河床表层泥沙根据不同特征可分为三个区域：第一区域为河床粗化区，第二区域有为小颗粒泥沙沉积区，第三区域为粗颗粒泥沙沉积区。（2）强水流作用下床面推移质泥沙粒径垂向上呈明显分层现象，粗颗粒泥沙层和细颗粒泥沙层交替分布。（3）强水流作用下床面剪切力与r/D具有明显的线性关系，强水流的推移质输沙率受水力半径与泥沙粒径比值的影响明显。（4）强水流作用下床面不同沙波之间的几何形态自相似主要受限于沙波的波长和波高。（5）考虑泥沙颗粒的碰撞作用，建立了强水流作用下推移质输沙率公式以及不平衡输沙方程。（6）设计了非接触式推移质输沙率的测量装置并提出了测量方法。本项目的部分研究成果已应用于望谟河的整治和成子河泄洪道交汇区的流态的研究，为实际工程提供了参考。 2100433B