夏威夷,高新新,趙曉冬,張新周,陳少明

(1.南京水利科學(xué)研究院，港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029；2.中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518116)

在“長江大保護(hù)”和“黃河流域生態(tài)保護(hù)”等國家戰(zhàn)略背景下，長江經(jīng)濟(jì)帶及黃河流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作受到空前重視，河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)技術(shù)發(fā)展迅速，越來越多的生態(tài)型河道建設(shè)工程得以實(shí)施。水生植物作為河流生態(tài)的重要組成部分，在生態(tài)環(huán)境效益評(píng)估中是一項(xiàng)重要指標(biāo)。長江、黃河流域生態(tài)環(huán)境目前依舊脆弱，水生植物能改善水質(zhì)并提供生物棲息地，同時(shí)還能防止水流侵蝕河岸，預(yù)防水土流失，保持河床穩(wěn)定。但在洪水期，水生植物的存在使得河道水流阻力增加，河道水位升高，行洪能力降低，極大地改變河道的水流阻力特性，洪水風(fēng)險(xiǎn)依然是長江、黃河流域的最大威脅。含水生植物河道水流阻力問題的研究對(duì)生態(tài)型河道防洪能力計(jì)算具有實(shí)際意義；含植物河床糙率等水動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究是前沿課題，它對(duì)生態(tài)學(xué)、水力學(xué)等具有重要的科學(xué)價(jià)值。

通過對(duì)含植被河道水流阻力系數(shù)試驗(yàn)及研究成果的回顧，梳理已有的研究方法、研究內(nèi)容和相應(yīng)結(jié)論，分析歸納阻力系數(shù)的影響因素和計(jì)算取值，提出尚需進(jìn)一步加強(qiáng)的技術(shù)途徑和深入開展的研究方向。

1 不同水生植物的阻力特性

關(guān)于含水生植物河道水流阻力問題，沈?qū)W紋[1]指出：“水流流過植被時(shí)研究的主要困難在于植被的柔性、植物的生長情況和植物的淹沒程度”。由于植被分布的隨機(jī)性和水流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，對(duì)于各類植物的水流阻力研究非常多，但缺少系統(tǒng)的整理歸納。根據(jù)生態(tài)及分布特征，研究水流阻力時(shí)水生植物主要分成以下幾類：按照生長方式分為挺水植物(如蘆葦、菖蒲)、浮水植物(如睡蓮、荇菜)和沉水植物(如眼子菜、金魚藻)，按照植物枝干的剛度可分為柔性植物(如普通水草)和剛性植物(如樹干)，按照植物在水中的淹沒度可分為完全淹沒植物(類似沉水植物)、剛好淹沒植物(類似浮水植物)和非淹沒植物(類似挺水植物)。

各類植物在水流中表現(xiàn)出不同的阻力特性，如柔性植物莖葉柔韌且通常淹沒在水面之下，對(duì)于低矮、高覆蓋度的柔性植物，很多研究者將其概化為床面的一部分，并用等效糙率來計(jì)算水流阻力而忽略了植物自身形態(tài)的影響。Morris[2]認(rèn)為柔性植物在水流中傾伏臥倒時(shí)，床面將出現(xiàn)準(zhǔn)光滑區(qū)；Kouwen[3]建立了單位面積上植被彎曲抵抗度與植被偏轉(zhuǎn)高度的關(guān)系；胡旭躍等[4-5]分淹沒和非淹沒2種情況對(duì)柔性植物進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討柔性植物密度、高度、直徑和柔韌性等生態(tài)特征對(duì)水流阻力的作用規(guī)律；Stephan等[6]27-43采用特征水力糙率參數(shù)來量化沉水柔性植物的阻力；吳福生[7]研究了柔性沉水植物對(duì)水流的阻力特性，認(rèn)為曼寧糙率系數(shù)隨相對(duì)水深的增大而減小。

剛性植物一般枝干堅(jiān)硬、植株較高，起阻水作用的一般是枝干部分，覆蓋度較低，水流經(jīng)過時(shí)可簡化為圓柱繞流運(yùn)動(dòng)。閆靜[8]138利用邊壁阻力分解法提出剛性植物阻力系數(shù)計(jì)算公式，并通過水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)隨植被密度增大而增大；曾玉紅等[9]測量了不同水深下的植被阻力，認(rèn)為非淹沒剛性植物的水流阻力與速度的平方成正比；Stone等[10-11]采用圓柱棒模擬剛性植物，提出阻力系數(shù)的計(jì)算公式。

沉水植物被水流完全淹沒，在水體流動(dòng)時(shí)容易彎曲，且流速不同其彎曲程度不同，植被阻力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化；與沉水植物相比，挺水植物可提供較大的阻力；對(duì)浮水植物水流阻力的研究目前極少。

2 含植被河道水流阻力研究方法

針對(duì)河道水流阻力的研究方法主要有原型河道測試、水槽試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)及理論分析。早在20世紀(jì)初，國外就通過室內(nèi)水槽和原型河道試驗(yàn)開展了含植物水流阻力特性的研究。尼古拉茲為探討紊流中沿程阻力系數(shù)的相關(guān)問題，曾進(jìn)行一系列均勻砂粒粗糙管道的水力試驗(yàn)，得到著名的尼古拉茲曲線；Kouwen[12]713-728開展了大量水槽試驗(yàn)，提出淹沒柔性植物的水流阻力計(jì)算公式；Luhar[13]通過室內(nèi)試驗(yàn)和原型觀測研究了植物生態(tài)特征對(duì)曼寧糙率系數(shù)的影響。國內(nèi)在研究含植物河道水流阻力方面起步較晚，但近年來在國外研究經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，也開展了一些試驗(yàn)研究。黃本勝[14]根據(jù)珠江流域?yàn)┑胤N植防浪樹的實(shí)際情況，開展了多組模型試驗(yàn)，提出了灘地種樹對(duì)行洪影響的計(jì)算方法；李艷紅[15]將淹沒植被區(qū)的流速垂線分布劃分為3個(gè)區(qū)域，提出了各區(qū)流速的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式，據(jù)此研究了曼寧糙率系數(shù)的垂線分布規(guī)律。目前含植被河道水流阻力問題大多偏向于經(jīng)驗(yàn)性的研究，從不同角度提出的阻力系數(shù)計(jì)算公式在工程應(yīng)用上仍存在一定的局限性。

從目前已有的研究成果看，水槽試驗(yàn)是研究植被阻力系數(shù)的最普遍方法，利用水槽研究簡單斷面河槽的水流阻力是研究更復(fù)雜問題的基礎(chǔ)。Kouwen[12]715-716采用苯乙烯條模擬植被在水槽中進(jìn)行阻力試驗(yàn)，將植被形態(tài)分為臥倒與挺立2種不同的情況；倪漢根等[16]167-173采用PVC材料模擬蘆葦，對(duì)蘆葦在非淹沒條件下的阻力特性進(jìn)行水槽試驗(yàn)；Baptist[17]2在35 m長的水槽內(nèi)，對(duì)塑料仿真水草進(jìn)行水流阻力試驗(yàn);Vionnet[18]2907-2926采用塑料仿真樹模擬沉水和非沉水植物，在20 m長的水槽中試驗(yàn)分析了洪漫灘濕地植被引起的水流阻力大??；楊克君[19]82在16 m長的水槽中研究了不同灘地植物(喬木、灌木和野草)對(duì)復(fù)式河槽流速分布的影響；閆靜[8]19在12 m長的水槽中，利用激光多普勒測速技術(shù)對(duì)含植物明渠水流阻力及紊流特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；渠庚等[20]1344-1351在28 m長的水槽中研究了無草、淹沒型、非淹沒型柔性植物水流阻力特性的變化規(guī)律。

從國內(nèi)外部分水槽試驗(yàn)研究成果看(表1)，研究的植被類型主要為沉水及挺水植物，植被的模擬材料主要為柔性的塑料仿真草和剛性的圓柱棒，研究內(nèi)容主要是不同水深、流量條件下植被密度(覆蓋度)、植株分布方式對(duì)水流阻力的影響，試驗(yàn)分析中采用的無量綱參數(shù)主要有阻力系數(shù)λ、曼寧糙率系數(shù)n、雷諾數(shù)Re、弗勞德數(shù)Fr等。

表1 含植被河道水流阻力水槽試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

雖然水槽試驗(yàn)的研究成果非常豐富，但在應(yīng)用到原型河道時(shí)仍存在一定的誤差，如果能在人工河渠或天然河段開展一些示范性的現(xiàn)場試驗(yàn)，所得結(jié)果無疑將會(huì)更加可信，Errico等[36]已經(jīng)在原型排水渠中開展了一些現(xiàn)場研究工作。另外，由于原型水生植物難以在室內(nèi)水槽中栽培和循環(huán)利用，試驗(yàn)中多采用塑料或金屬制作的仿真植物，比尺效應(yīng)導(dǎo)致模型在一些涉及植被生態(tài)特征(高度、直徑、葉片面積、抗彎剛度等)的研究問題時(shí)難以真實(shí)反映原型條件，再加上天然植物的隨機(jī)生長和種群分布特性，植被生態(tài)特征與水流阻力關(guān)系的研究成果較少，相應(yīng)的研究手段尚需進(jìn)一步改善或另辟蹊徑。

針對(duì)目前研究成果存在的不足，筆者所在研究團(tuán)隊(duì)嘗試建立了約20 m長的梯形斷面水槽，主要采用天然蘆葦、仿真水藻、仿真浮葉分別開展挺水植物、沉水植物和浮水植物的水流阻力試驗(yàn)(圖1)，目前正在研究不同種群岸灘水生植物生長對(duì)河道水流阻力的影響，為河道生態(tài)修復(fù)工程的長效運(yùn)行與管理提供技術(shù)支撐。

圖1 植物的水流阻力試驗(yàn)

3 含植被河道水流阻力系數(shù)影響因素和取值

根據(jù)含植被河道水流阻力系數(shù)的一系列試驗(yàn)研究成果，阻力系數(shù)的取值受到多種因素的影響，大多需要針對(duì)特定的河道水流及植被條件進(jìn)行取值，相應(yīng)的計(jì)算方法也多為經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)的。因此,在開展某一含植被河道的模型試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件首先分析河道水流、地形斷面和植被分布的典型特征，然后根據(jù)影響水流阻力的關(guān)鍵因素選取代表性的植被類型和分布形式作為試驗(yàn)條件，由此獲得的阻力系數(shù)或糙率方能進(jìn)一步用于工程設(shè)計(jì)或指導(dǎo)數(shù)學(xué)模型率定。

3.1 含植被河道阻力系數(shù)的影響因素

影響含植被河道水流阻力的因子包括河床底質(zhì)、流速、水深、河道地形、植被密度、植被種類及生態(tài)特征等。植被主要通過莖葉的阻擋作用和對(duì)局部水流結(jié)構(gòu)的影響使得河道水流運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，植被自身引起的水流阻力因素有枝干的剛度、直徑、高度、空間分布、覆蓋度、枝葉形狀等。Vogel[37]認(rèn)為無論是闊葉還是針葉植被，其水流阻力主要是由葉子造成的；Lopez等[38]認(rèn)為斷面曼寧系數(shù)與植物密度有關(guān)，隨植物密度的增大而增大；Li等[39]研究了大樹對(duì)水流阻力的影響，認(rèn)為流速的減小受植被密度和分布方式的影響，水流阻力隨植物密度的增加而增大；Chen[40]認(rèn)為當(dāng)水流經(jīng)過植被密度高的地面時(shí)，流速有時(shí)很慢且屬于層流范圍，阻力系數(shù)與雷諾數(shù)成反比；房春艷[41]采用水槽試驗(yàn)分析了灘地植被特性，探討了植被高度、密度、柔韌性及植被的分布方式對(duì)復(fù)式河槽水流阻力的影響；王洪虎[42]通過水槽試驗(yàn)研究了植物種類及密度變化對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著植被密度的增加，水位抬升越明顯，水流阻力越大；鄭爽等[43]通過含淹沒柔性植物河道的水槽試驗(yàn)和量綱分析，探討了植物挺立度、相對(duì)淹沒度及相對(duì)植被密度對(duì)曼寧糙率的影響。目前，針對(duì)含植被河道阻力系數(shù)影響因素的試驗(yàn)研究成果較多，主要形成以下普遍性結(jié)論。

1)對(duì)于同一種植物，在同樣植被密度和水深條件下，流量越大，阻力系數(shù)越?。辉谕瑯恿髁亢退顥l件下，植被密度越高，阻力系數(shù)越大，植被密度是植物淹沒條件下的主要參數(shù)。阻力系數(shù)變化與尼庫拉茲曲線具有一定的相似性，類比來說，阻力系數(shù)在紊流光滑區(qū)與水流雷諾數(shù)相關(guān)，在紊流過渡區(qū)與雷諾數(shù)和植物類型相關(guān)，紊流粗糙區(qū)與植物類型相關(guān)，這種規(guī)律在沉水植物中體現(xiàn)得更加明顯。

2)從植物的生態(tài)特征來說，直徑、高度、抗彎剛度、有無枝葉等都對(duì)阻力系數(shù)產(chǎn)生影響，其變化關(guān)系較為復(fù)雜。柔韌性較大的水草等沉水植物，彎曲度越小(趨于直立)，水流阻力越大；隨著流速變大，水草偏轉(zhuǎn)彎曲更大，當(dāng)其完全倒伏在床面時(shí)，可等效概化為床面糙率進(jìn)行計(jì)算。有葉植物的阻力系數(shù)普遍大于無葉植物，挺水植物的阻力系數(shù)一般大于沉水植物。

3)從能量耗散角度來說，植物引起的沿程水流阻力和能量損耗，主要與植被區(qū)的湍流強(qiáng)度或紊動(dòng)渦旋尺度有關(guān)。有學(xué)者認(rèn)為，沉水植被區(qū)沿水深從上到下可分為：①表層的流速對(duì)數(shù)分布區(qū)，該層水體無植物占據(jù)，水平流速在垂向上呈對(duì)數(shù)分布；②植被冠層附近的混合層區(qū)，尤其在柔性植物中，該層在植被密度夠大時(shí)隨水流產(chǎn)生剪切層，由于K-H不穩(wěn)定性引起的K-H渦沿冠層與水流界面運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象被定義為“monami[44]”；③底層的卡曼渦街區(qū)，該層渦旋尺度受限于植被下層莖干的幾何形態(tài)，物質(zhì)傳輸比上層更弱。

3.2 阻力系數(shù)計(jì)算與取值

水生植物的存在使得開發(fā)由理論推導(dǎo)的解析水流阻力模型很困難，因此，已有的研究大多是經(jīng)驗(yàn)化或半經(jīng)驗(yàn)化的，常用的水流阻力公式例如曼寧、謝才和達(dá)西-魏斯巴赫公式在河道水流分析中得到了較好的應(yīng)用，但阻力系數(shù)很難精確估計(jì)。基于這些傳統(tǒng)的公式，Ree[45]提出一套n-UR關(guān)系曲線；Stephan[6]37-39將植物類比成沙粒層，以當(dāng)量糙率的形式計(jì)算淹沒柔性植物的水流阻力；唐洪武等[46]根據(jù)水流阻力等效原則，提出等效水力參數(shù)的概念，建立了等效綜合曼寧糙率系數(shù)和等效植物附加曼寧系數(shù)的計(jì)算式。各種水流阻力系數(shù)中，曼寧系數(shù)在水流計(jì)算和實(shí)際工程中使用最廣泛。對(duì)于含植物明渠，水流阻力包括3個(gè)部分——床面剪應(yīng)力、邊壁剪應(yīng)力和植物引起的附加阻力。與無植物明渠相比，含植物明渠的水力半徑和能坡難以劃分和確定，因此曼寧公式的使用較為復(fù)雜。James[47]認(rèn)為傳統(tǒng)的水流阻力公式不能用于含植被河道的水力計(jì)算，其原因之一是產(chǎn)生水流阻力的主要是植物的阻水作用而非床面阻力。國內(nèi)外已有的植被阻力系數(shù)計(jì)算方法較多，很多都將植物概化為圓柱體，引入Cd并采用計(jì)算繞流阻力的方法來計(jì)算植被阻力，如J?rvel?等[48-50]提出的計(jì)算式。文獻(xiàn)[51]總結(jié)了Cd的不同取值：DVWK推薦Cd可取為1.5；Mertens、Nuding認(rèn)為Cd在低雷諾數(shù)的條件下可取為1.5；在考慮植被枝葉分布后，Meijer認(rèn)為有葉蘆葦?shù)淖枇ο禂?shù)可取為1.8；James認(rèn)為蘆葦?shù)淖枇ο禂?shù)范圍為1.25(無葉)～1.75(有葉)；Klaassen[52]認(rèn)為有枝條果樹的阻力系數(shù)可取為1.5。在與大量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式以及多種植被冠層形態(tài)、植被密度及剛度條件下得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后，可用于挺水及沉水植被阻力系數(shù)計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)式如下[53]：

(1)

(2)

式中：Cd為植株每單位迎水面積的局部阻力系數(shù)；Rev,d是將植株迎水面寬度D作為特征長度計(jì)算的雷諾數(shù)；Uv為植被冠層以內(nèi)的空間平均流速；ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；Φ為植被的體積分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)含植被河道模型試驗(yàn)的技術(shù)手段。加強(qiáng)對(duì)模型植物比尺效應(yīng)的研究，探尋與原型植物生態(tài)特征及阻力特性相似的模型仿真植物，或開發(fā)水槽中原型植物的培育和試驗(yàn)方法；加強(qiáng)對(duì)梯形斷面和復(fù)式斷面河道的試驗(yàn)研究，考慮水生植物在岸灘及河槽的不同分布，探索糙率沿?cái)嗝鏉裰茏兓暮硬劬C合糙率計(jì)算方法。

2)針對(duì)植物隨機(jī)生長和種群分布特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)植被生態(tài)特征與水流阻力關(guān)系的研究。目前試驗(yàn)?zāi)M的植被類型較為單一，對(duì)混合植物種群的研究較少；模型植物的排列形式主要為規(guī)整的矩陣式和交錯(cuò)式，隨機(jī)布置的研究成果較少；較多的文獻(xiàn)聚焦于莖干的圓柱繞流研究，而較少關(guān)注不同葉形、葉序的阻水作用。

3)優(yōu)化植被與河床共同作用下水流阻力的計(jì)算方法。目前,計(jì)算植被阻力主要有2種簡化方法：①將植株看作圓柱體，采用圓柱繞流理論計(jì)算植被阻力，該方法在剛性挺水植物或枝葉較少的植被中較為適用；②基于水流阻力等效原則，將植被阻力概化到床面上，采用等效阻力綜合表示植被和床面阻力，該方法在低矮的沉水植物中得到較多的應(yīng)用。這2種方法在植被條件復(fù)雜時(shí)將造成較大的誤差，有必要在理論分析的基礎(chǔ)上尋找新的計(jì)算方法。

4)強(qiáng)化植被層中紊流渦旋和能量耗散的觀測分析，加強(qiáng)對(duì)植被層水流阻力的機(jī)理研究，提高對(duì)植被層水流結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，為數(shù)值模擬提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。