王雨杭 韓東睿 吳挺峰 林穎典

剛性植被對(duì)沿坡運(yùn)動(dòng)泥沙異重流動(dòng)力及湍流特性的影響*

王雨杭1韓東睿1吳挺峰2林穎典1①

(1. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院 舟山 316021; 2. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 南京 210008)

開(kāi)展一系列開(kāi)閘式斜坡泥沙異重流水槽實(shí)驗(yàn), 采用高速相機(jī)記錄異重流發(fā)展過(guò)程, 并利用聲學(xué)多普勒流速儀(acoustic doppler velocimeter, ADV)獲取泥沙異重流的速度、濃度及湍流結(jié)構(gòu), 探究剛性植被對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著植被高度的增大, 泥沙異重流的頭部與尾部發(fā)生分離, 且植被高度對(duì)異重流頭部速度削減作用的重要性大于植被密度; 受植被作用的影響, 異重流速度剖面的峰值位置和峰值大小均發(fā)生改變; 此外, 由于植被與異重流相互作用產(chǎn)生的湍流, 使異重流的泥沙濃度剖面發(fā)生改變, 并使懸浮于流體中的泥沙顆粒向上輸運(yùn)。本研究的結(jié)論對(duì)自然環(huán)境保護(hù)、水下工程建設(shè)等生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題提供重要的科學(xué)依據(jù)。

泥沙異重流; 斜坡; 剛性植被; 湍流

異重流(gravity current)是指兩種或兩種以上不同密度流體相互接觸時(shí), 密度差異的存在, 使得其中一種流體能夠沿著交界面流動(dòng), 且不與其他流體發(fā)生全局性混摻的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象(張瑞瑾, 2002)。當(dāng)密度差異是由于重流體內(nèi)懸浮的泥沙等顆粒物造成時(shí), 該類(lèi)異重流被稱(chēng)為泥沙異重流(particle-laden gravity current), 又被稱(chēng)為濁流(turbidity current)(Ouillon, 2019)。泥沙異重流是陸地、湖泊、海洋泥沙輸移的主要?jiǎng)恿? 也是深海沉積巖系統(tǒng)、海底峽谷的主要成因(唐武等, 2016)。

由于自然界中植被的廣泛存在, 異重流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中很有可能會(huì)流經(jīng)植被群(Ozan, 2015), 且由于植被遮蔽作用使植被區(qū)內(nèi)外產(chǎn)生溫差, 在植被和非植被交界區(qū)域容易生成溫差驅(qū)動(dòng)的異重流(L?vstedt, 2008)。而植被的存在不僅會(huì)改變流場(chǎng)的橫向和縱向速度分布, 還會(huì)影響推移質(zhì)輸沙能力、水位水量關(guān)系、懸浮物沉積和挾帶、懸浮物質(zhì)的溶解等(Liu, 2008; Tanino, 2009)。因此, 探究植被群落對(duì)泥沙異重流運(yùn)動(dòng)的影響不僅能為湖泊、河口、濕地及海洋區(qū)域的異重流研究提供科學(xué)依據(jù), 同時(shí)也對(duì)自然環(huán)境保護(hù)、水下工程建設(shè)等生產(chǎn)實(shí)際具有指導(dǎo)意義。

目前已有許多學(xué)者圍繞這一問(wèn)題展開(kāi)研究。Tanino等(2005)對(duì)平坡開(kāi)閘式鹽水異重流流經(jīng)非浸沒(méi)式植被展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究, 其結(jié)果表明隨著植被阻力作用的增加, 異重流會(huì)逐漸從慣性主導(dǎo)階段轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇χ鲗?dǎo)階段, 與環(huán)境流體的交界面也從橢圓形界面轉(zhuǎn)為三角形界面。Zhang等(2008)進(jìn)行了類(lèi)似實(shí)驗(yàn), 其結(jié)果表明隨著植被阻力的增加, 進(jìn)入植被的異重流流速和體積流量均呈下降趨勢(shì)。Cenedese等(2016)對(duì)異重流流經(jīng)浸沒(méi)式植被展開(kāi)了研究, 發(fā)現(xiàn)異重流的摻混機(jī)制由于植被密度不同而發(fā)生改變, 在植被密度較低時(shí), 異重流由于植被尾部的渦旋而加劇摻混; 而植被密度較高時(shí), 摻混主要由上部的重流體與環(huán)境輕流體接觸時(shí)的瑞利-泰勒不穩(wěn)定性(Rayleigh-Taylor instability)造成。Zhou等(2017)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和大渦模擬(large eddy simulation)發(fā)現(xiàn)坍塌階段異重流的頭部速度隨植被密度的增加先減小后增大。熊杰等(2020)利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle image velocimetry, PIV)對(duì)異重流流經(jīng)植被時(shí)的速度場(chǎng)和渦度場(chǎng)進(jìn)行了分析。林穎典等(2019)研究了層結(jié)環(huán)境下植被對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)的影響, 結(jié)果表明層結(jié)水體和植被對(duì)異重流摻混均有抑制作用, Zhou(2020)等通過(guò)數(shù)值模擬得到了類(lèi)似的結(jié)論。

總的來(lái)講, 目前關(guān)于植被對(duì)異重流動(dòng)力特性影響的研究, 主要集中在鹽水異重流和平坡條件下, 而對(duì)沿坡運(yùn)動(dòng)的泥沙異重流研究很少。而泥沙異重流是自然界中一種十分常見(jiàn)的異重流形式, 且現(xiàn)實(shí)中的異重流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)流經(jīng)具有某一傾角的斜坡底床(Meiburg, 2010), 因此研究斜坡條件對(duì)泥沙異重流的影響是十分必要的。除此之外, 前人對(duì)這一問(wèn)題的研究大多集中于異重流頭部速度、頭部角度, 摻混機(jī)制, 流量等方面, 而對(duì)于植被區(qū)域內(nèi)異重流的速度濃度結(jié)構(gòu)研究較少, 且目前尚未有學(xué)者就植被對(duì)異重流湍流結(jié)構(gòu)的影響展開(kāi)研究, 因此本文就這方面研究的空缺進(jìn)行補(bǔ)充。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

本文采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方式探究剛性植被對(duì)沿坡運(yùn)動(dòng)泥沙異重流動(dòng)力及湍流特性的影響, 實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)280 cm、高46 cm、寬15 cm的有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行(圖1), 水槽中設(shè)置一機(jī)械閘門(mén), 其中閘門(mén)左側(cè)放置清水, 水深保持為=34 cm, 右側(cè)閘室長(zhǎng)19 cm, 放置由高嶺土和水混合配置而成的重流體。閘室內(nèi)的重流體水位與環(huán)境流體相同, 水深為0=9 cm。高嶺土中值粒徑50=45 μm, 且實(shí)驗(yàn)的所有組別均保持固定的泥沙濃度=12g/L。為了可視化異重流的運(yùn)動(dòng)形態(tài), 在重流體中添加了少量食用色素進(jìn)行染色。

在閘門(mén)左側(cè)設(shè)有一坡度=9°的斜坡, 并在距離閘門(mén)口38 cm即兩個(gè)閘室長(zhǎng)度處設(shè)置了長(zhǎng)V=30 cm的植被區(qū)域, 異重流進(jìn)入該區(qū)域時(shí)已處于穩(wěn)定階段。為了模擬自然界中植被, 本實(shí)驗(yàn)采用直徑7 mm的剛性木質(zhì)圓柱體進(jìn)行簡(jiǎn)化, 植被區(qū)中的圓柱體采用隨機(jī)排列形式。實(shí)驗(yàn)選用三種植被高度:v=3, 6, 30 cm, 對(duì)應(yīng)植被高度與初始水深的比值=v/0為0.33, 0.66, 1.00 (當(dāng)植被高度大于環(huán)境水深時(shí),取1.00), 以及三種植被密度:單位面積內(nèi)植被所占比例為4.5%, 9%和18%。

在植被區(qū)內(nèi)部20 cm處利用聲學(xué)多普勒流速儀(acoustic doppler velocimeter, ADV)進(jìn)行三維速度數(shù)據(jù)的測(cè)量, ADV采集頻率為25 Hz。由于ADV是利用聲波量測(cè)探頭下5 cm的取樣體積內(nèi)(sampling volume, 大約0.09 cm3)的流速, 如果植被距離取樣體積太近, 則可能會(huì)影響ADV的數(shù)據(jù)質(zhì)量, 從而影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 因此本實(shí)驗(yàn)參照Ikeda等(1996)的方法在植被區(qū)內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)附近移除了少量植被。

每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前, 對(duì)閘室中的重流體進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰苑乐箖?nèi)部顆粒的沉降。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí), 以固定的速率打開(kāi)機(jī)械閘門(mén), 右側(cè)的重流體進(jìn)入環(huán)境流體, 沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)形成異重流, 并在水槽一側(cè)利用高速相機(jī)進(jìn)行拍攝, 相機(jī)采樣頻率為30 Hz。后續(xù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)圖像獲取異重流的頭部位置、頭部速度等參數(shù)。

圖1 泥沙異重流實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

注:單位為cm; ADV: acoustic doppler velocimeter, 聲學(xué)多普勒流速儀

1.2 特征參數(shù)及實(shí)驗(yàn)組別

為了描述流體之間的密度差異, 本文選用有效重力加速度作為特征參數(shù), 定義為:

其中,=9.81 m/s2為重力加速度; Δ=1–0為重流體和環(huán)境輕流體的密度差;0為環(huán)境水體密度;1為重流體密度。

異重流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可由雷諾數(shù)()和弗勞德數(shù)()表示, 其計(jì)算公式如下:

其中,為水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù), 取值10-6m2/s;為異重流從閘門(mén)口運(yùn)動(dòng)到斜坡底部的平均速度;0為閘室內(nèi)的重流體的初始水深。單位面積內(nèi)植被所占比例(solid plane fraction, SPF)SP的計(jì)算公式如下:

其中,為植被數(shù)目;為植被直徑;v為植被區(qū)域長(zhǎng)度;v為植被區(qū)域?qū)挾取?/p>

表1為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)參數(shù), 每組實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)5次, 測(cè)量5種高度, 分別距離底床=7.5, 17.5, 27.5, 37.5, 47.5 mm。實(shí)驗(yàn)中所有工況的雷諾數(shù)均超過(guò)1 000, 黏滯力對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)的影響不顯著(Shin, 2004)。另外, 對(duì)頭部位置、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、頭部速度等參數(shù)分別進(jìn)行無(wú)量綱化處理:

表1 實(shí)驗(yàn)工況及相關(guān)參數(shù)

Tab.1 Experimental cases and relevant parameters

注: N表示無(wú)植被工況, A, B, C分別表示植被高度為3, 6, 30 cm工況; 1, 2, 3分別表示植被密度為4.5%, 9%, 18%工況;v為植被區(qū)域長(zhǎng)度;為有效重力加速度;SP為單位面積內(nèi)植被所占比例;為植被高度與初始水深的比值; Re為雷諾數(shù); Fr為弗勞德數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

由于異重流屬于非恒定流, 為了獲得異重流的湍流特性, 本文依照Z(yǔ)ordan等(2018)的方法采用移動(dòng)平均法對(duì)ADV速度時(shí)間序列進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理時(shí)選用的時(shí)間窗口(time-window)依照Baas等(2005)的方法確定為0.4 s(即10個(gè)數(shù)據(jù)), 在該長(zhǎng)度的時(shí)間窗口下依舊能夠保持速度特征的可分辨性, 而當(dāng)時(shí)間窗口增大時(shí), 所得平均流速會(huì)包含開(kāi)閘式異重流的非恒定特性, 影響后續(xù)的湍流計(jì)算。為了排除異常測(cè)量值的干擾, 對(duì)信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)小于5 dB和相關(guān)系數(shù)小于70%的數(shù)據(jù)予以舍棄(Chanson, 2008), 并采用Goring等(2002)提出的相空間閾值法進(jìn)行去毛刺處理(despiking)。

通過(guò)脈動(dòng)流速可以確定湍動(dòng)能(turbulent kinetic energy, TKE)TK, 其計(jì)算公式如下:

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖2為泥沙異重流在無(wú)植被和不同高度植被工況下的形態(tài)變化過(guò)程。在異重流進(jìn)入植被區(qū)域前, 各工況下異重流形態(tài)類(lèi)似, 均形成一個(gè)典型的橢圓形頭部(圖2)。當(dāng)=0.33時(shí), 由于異重流的高度高于植被, 進(jìn)入植被區(qū)域時(shí)與植被頂端發(fā)生劇烈的剪切作用, 使得異重流厚度明顯增大(圖2b2)。穿過(guò)植被區(qū)域后, 異重流又重新形成規(guī)則的橢圓形頭部。尾部的重流體一部分繼續(xù)緩慢沿坡運(yùn)動(dòng), 另一部分由于植被的阻礙和泥沙的沉降作用被滯留在植被區(qū)中(圖2b3), 但此時(shí)異重流的頭部與尾部未發(fā)生明顯的分離。而隨著植被高度的增大, 離開(kāi)植被區(qū)域后重新形成的頭部規(guī)模逐漸減小, 且頭部與尾部出現(xiàn)明顯的分離現(xiàn)象。此外, 在植被的阻礙作用下, 重流體不僅會(huì)滯留在植被區(qū)內(nèi), 還有一部分滯留在了植被區(qū)后方, 且有部分泥沙顆粒脫離異重流被帶入到環(huán)境流體中(圖2c3, d3)。

圖2 不同植被高度下泥沙異重流形態(tài)變化

注:a1—a3表示工況N; b1—b3表示工況A2; c1—c3表示工況B2; d1—d3表示工況C2

圖3為泥沙異重流流經(jīng)植被群后的沉積情況, 由圖可知, 由于植被的阻礙作用導(dǎo)致異重流的滯留, 植被群上游的沉積量要明顯高于下游(圖3a)。圖3b為植被區(qū)域內(nèi)部的沉積情況, 就單株植被而言, 沉積區(qū)域主要集中在莖干的兩側(cè)以及上游部分, 而莖干下游部分的沉積量較小, 這是因?yàn)楫愔亓髟诹鹘?jīng)植被時(shí)發(fā)生繞流, 在單株植被的下游出現(xiàn)一個(gè)流量較小區(qū)域(圖3c), 從而使得該區(qū)域的沉積量減小。

2.2 頭部速度

圖4為異重流在不同植被高度和密度下頭部速度隨運(yùn)動(dòng)距離的變化曲線。在無(wú)植被條件下, 異重流經(jīng)過(guò)初始的加速后進(jìn)入相對(duì)勻速階段, 并在該階段與異重流侵入環(huán)境流體后產(chǎn)生的內(nèi)波相互作用(Snow, 2014), 導(dǎo)致頭部速度不斷波動(dòng)(圖4a)。

存在植被工況下, 異重流進(jìn)入植被區(qū)后, 頭部速度受到植被的阻礙作用先迅速下降, 隨后經(jīng)歷一個(gè)短暫的自加速階段后, 重新進(jìn)入減速階段(圖4a, b)。并且在植被區(qū)域內(nèi), 植被高度對(duì)頭部速度削減作用的重要性要大于植被密度。

圖3 泥沙異重流沉積情況

注:a表示整體沉積情況(工況A3); b表示植被區(qū)內(nèi)沉積情況(工況B3); c表示局部流場(chǎng)情況(工況C3)

圖4 不同植被高度和密度下頭部速度和頭部位置時(shí)間變化過(guò)程

注: a表示工況N, A2, B2, C2; b表示工況N, A1, A2, A3; 虛線之間區(qū)域代表植被區(qū);*表示無(wú)量綱化頭部位置;*表示無(wú)量綱化頭部速度

異重流流出植被區(qū)后, 由于形成新的頭部再次進(jìn)入加速階段, 且隨著植被高度的增加, 加速時(shí)間越短, 加速后的頭部速度越小。而隨著植被密度的增大, 在SP=4.5%時(shí), 頭部速度能恢復(fù)到與無(wú)植被工況基本一致, 而SP=9%和SP=18%時(shí)頭部速度要明顯小于無(wú)植被工況, 但兩者間相差不大。在植被區(qū)域外, 植被高度對(duì)頭部速度削減作用的重要性依舊要大于植被密度, 且植被密度與頭部速度并不呈單調(diào)關(guān)系, 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Zhou等(2017)的數(shù)值模擬結(jié)果一致。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 植被的存在對(duì)泥沙異重流頭部速度具有削減作用, 其中一個(gè)重要原因就是由于植被的阻礙作用使得一部分泥沙滯留在了植被區(qū)內(nèi)部和后方, 導(dǎo)致流出植被區(qū)的異重流密度減小, 從而降低了其頭部速度。

2.3 速度剖面

圖5為相同時(shí)刻異重流頭部和尾部在不同植被高度下的平均速度剖面, 其中頭部區(qū)域和尾部區(qū)域的速度均采用8 s的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均(下文相同)。在無(wú)植被工況下, 異重流速度剖面呈單峰分布, 并以該峰值為界, 將異重流分為射流區(qū)與壁面區(qū)(Varjavand, 2015)。

存在植被工況下, 異重流頭部速度剖面依舊呈單峰分布, 但隨著植被高度的減小, 該峰值位置逐漸“抬升”。峰值大小相較于無(wú)植被工況明顯減小, 但植被高度對(duì)峰值大小的影響不顯著。此外, 植被的存在使得異重流頭部的整體速度分布趨向均勻(圖5a)。

圖5 工況N, A2, B2, C2泥沙異重流速度剖面

注:/0表示測(cè)量高度與初始水深的比值; a表示異重流頭部; b表示異重流尾部

異重流尾部速度剖面, 在=0.33工況下, 由于植被分為植被上方運(yùn)動(dòng)與植被內(nèi)部運(yùn)動(dòng)兩部分, 剖面形態(tài)呈現(xiàn)雙峰分布; 而其余工況下依舊保持單峰分布, 峰值位置相比于無(wú)植被工況有所“下降”。隨著植被高度的增加, 峰值大小逐漸增大。且植被的存在使得異重流尾部的整體速度分布趨向發(fā)散(圖5b)。

2.4 濃度剖面

在一定濃度范圍內(nèi), ADV采樣體積內(nèi)小顆粒反向散射的聲信號(hào)強(qiáng)度與泥沙濃度成線性關(guān)系, 因此可以通過(guò)ADV測(cè)量得到的信號(hào)振幅, 反演得到異重流的泥沙濃度(Hosseini, 2006; 李文杰等, 2014)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在固定體積清水中加入不同質(zhì)量的泥沙, 計(jì)算得到泥沙濃度, 并在混合泥水中用ADV進(jìn)行測(cè)量, 得到各個(gè)泥沙濃度下的聲信號(hào)強(qiáng)度, 最終擬合得到兩者的關(guān)系式:

=0.369a–19.14, (8)

式中,的單位為g/L, 關(guān)系式擬合的相關(guān)系數(shù)為0.85。其中聲信號(hào)強(qiáng)度a=100.043 4S1+100.043 4S2+100.0434 S3, S1、S2和S3分別為ADV三個(gè)接收器獲得的信號(hào)振幅。

利用該關(guān)系式, 可反演得到異重流頭部不同點(diǎn)的泥沙濃度, 結(jié)合后即可得頭部區(qū)域的泥沙濃度(圖6)。結(jié)果表明, 在無(wú)植被工況下, 泥沙濃度從底床向上大致呈逐漸減小趨勢(shì)。存在植被工況下, 靠近底床處的泥沙濃度均減小, 而遠(yuǎn)離底床處的局部泥沙濃度有所增加。對(duì)比浸沒(méi)式與非浸沒(méi)式植被工況, 在=0.33工況下, 相較于無(wú)植被工況, 異重流上交界面處的泥沙濃度明顯增大。而在非浸沒(méi)式植被工況下, 異重流中部的局部泥沙濃度顯著增加。因此, 植被的存在導(dǎo)致了泥沙異重流的泥沙濃度重分布, 且趨向于將懸浮于流體中的泥沙顆粒向上輸運(yùn)。

2.5 湍動(dòng)能剖面

存在植被的工況下, 由于異重流流過(guò)植被群時(shí), 會(huì)在植被的尾部產(chǎn)生莖干尺度的湍流結(jié)構(gòu)(Nepf, 2000), 該結(jié)構(gòu)使得靠近底床處各工況的相對(duì)湍動(dòng)能均有所增加, 表明該處的湍流增強(qiáng), 而較強(qiáng)的湍流使得該位置處的泥沙向上輸運(yùn), 從而導(dǎo)致了上文中底床附近泥沙濃度減小的現(xiàn)象。而相比于浸沒(méi)式植被工況, 非浸沒(méi)植工況下的異重流由于整體厚度減小, 且上交界面的Kelvin-Helmholtz渦受到抑制, 受該機(jī)制的影響作用更強(qiáng), 因此異重流中部的局部泥沙濃度相較于無(wú)植被工況顯著增加(圖6)。而脫離底床區(qū)域, 當(dāng)=0.33時(shí), 受植被頂端與異重流剪切作用產(chǎn)生的渦旋影響, 其相對(duì)湍動(dòng)能與無(wú)植被工況相比均明顯增大, 同樣由于該較強(qiáng)的湍流作用使得更多的泥沙被輸運(yùn)至上交界面(圖6)。而在=0.66和=1工況下, 由于植被與異重流的縱向剪切作用較弱, 此時(shí)植被對(duì)湍流的抑制占據(jù)主導(dǎo)作用, 使得相對(duì)湍動(dòng)能有所減小, 從而減弱了異重流與環(huán)境流體的物質(zhì)交換, 阻礙了泥沙的進(jìn)一步向上輸運(yùn)。因此, 植被高度與異重流厚度的相對(duì)大小是決定泥沙異重流湍流生成和泥沙輸運(yùn)的主導(dǎo)因素。

圖6 工況N, A2, B2, C2泥沙異重流濃度剖面

注:表示測(cè)量高度;表示泥沙濃度

圖7 工況N, A2, B2, C2泥沙異重流湍動(dòng)能剖面

2.6 湍流猝發(fā)現(xiàn)象

極端的湍流猝發(fā)(Turbulent bursting)現(xiàn)象決定了流場(chǎng)中的動(dòng)量與物質(zhì)交換, 且對(duì)底床的泥沙再懸浮及流場(chǎng)中的泥沙濃度變化起著主導(dǎo)作用(Yuan, 2009; Thompson, 2013)。根據(jù)縱向和垂向脈動(dòng)流速方向的不同, 可以將湍流猝發(fā)過(guò)程分為四種類(lèi)型(Mohajeri, 2016):

1)>0,>0,>0(Q1):外相互作用(outward interaction);

2)<0,>0,<0(Q2):低速流體上拋(ejection);

3)<0,<0,>0(Q3):內(nèi)相互作用(inward interaction);

4)>0,<0,<0(Q4):高速流體下掃(sweep)。

各類(lèi)猝發(fā)現(xiàn)象對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)值可定義為

其中指標(biāo)函數(shù)q定義為

圖8為不同工況下距離底床7.5 mm處四種猝發(fā)類(lèi)型占比及其對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)占比。在無(wú)植被工況下, 四種猝發(fā)類(lèi)型(ejection, sweep, inward, outward)在時(shí)間序列中分別占比4.2%, 2.7%, 7.0%, 7.3%, 但其對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)值可達(dá)11.0%, 7.1%, 21.6%, 25.4% (圖8a, 8b), 該結(jié)果表明極端的猝發(fā)現(xiàn)象是流場(chǎng)中雷諾應(yīng)力的主要來(lái)源。存在植被工況下, ejection和sweep猝發(fā)類(lèi)型的占比及其對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)明顯下降, 而inward和outward的占比及其對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)明顯增加, 而植被高度的影響不大。Nelson等(1995)的研究表明隨著底床粗糙度的增加, ejection和sweep對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)會(huì)逐漸降低, inward和outward對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)會(huì)逐漸升高, 與本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相一致, 由此可以推斷該結(jié)果是由于植被的存在增加了底床糙率導(dǎo)致的。

此外, ejection與流場(chǎng)中懸浮顆粒的輸運(yùn)密切相關(guān), 且ejection的發(fā)生會(huì)增加局部泥沙濃度(Cellino, 2004; Noguchi, 2009)。因此可以推斷植被使得近床附近ejection發(fā)生比例的減小, 也是導(dǎo)致底床附近泥沙濃度減小的原因之一。

圖8 工況N, A2, C2各猝發(fā)類(lèi)型在時(shí)間序列中占比(a)以及對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)值(b)

3 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn), 探究了剛性植被對(duì)沿坡運(yùn)動(dòng)泥沙異重流動(dòng)力及湍流特性的影響, 主要結(jié)論如下:

(1) 植被高度較小時(shí), 異重流與植被頂端的剪切作用會(huì)加劇其與環(huán)境水體的摻混, 使得異重流厚度增加。隨著植被高度的增大, 異重流的頭部與尾部發(fā)生分離。

(2) 植被會(huì)加劇異重流在植被區(qū)上游的泥沙沉積, 在植被區(qū)內(nèi)部, 沉積主要集中在莖干的兩側(cè)及上游, 而莖干下游的沉積量較小。

(3) 在植被區(qū)域內(nèi)外, 植被高度對(duì)頭部速度削減作用的重要性均大于植被密度。植被密度與頭部速度并不呈單調(diào)關(guān)系。

(4) 植被使得異重流頭部速度剖面峰值遠(yuǎn)離底床, 峰值大小降低, 整體的速度分布趨向均勻; 異重流尾部速度剖面峰值接近底床, 峰值大小增加, 整體的速度分布趨向發(fā)散。

(5) 植被的存在導(dǎo)致了泥沙異重流的泥沙濃度重分布, 且趨向于將懸浮于流體中的泥沙顆粒向上輸運(yùn)。

(6) 靠近底床處, 植被使得異重流的相對(duì)湍動(dòng)能增大。遠(yuǎn)離底床處, 植被高度與異重流厚度的相對(duì)大小是決定泥沙異重流湍流生成和泥沙輸運(yùn)的主導(dǎo)因素。

(7) 植被的存在降低了湍流猝發(fā)現(xiàn)象中流體上拋(ejection)和下掃(sweep)的占比及其對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)值, 增大了內(nèi)相互作用(inward)和外相互作用(outward)的占比及其對(duì)雷諾應(yīng)力的貢獻(xiàn)值。

本文探究了剛性植被對(duì)沿坡運(yùn)動(dòng)泥沙異重流動(dòng)力及湍流特性的影響, 但是實(shí)驗(yàn)中僅考慮了一種泥沙粒徑, 后續(xù)會(huì)通過(guò)選用不同的泥沙粒徑, 進(jìn)一步探究泥沙粒徑對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)特性的影響。

李文杰, 張帥帥, 楊勝發(fā)等, 2014. 利用ADV測(cè)量細(xì)顆粒泥沙濃度的試驗(yàn)研究. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 33(4): 98—104

張瑞瑾, 2002. 河流泥沙動(dòng)力學(xué). 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 211

林穎典, 劉雅鈺, 袁野平, 2019. 在層結(jié)和非層結(jié)環(huán)境下植被群對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)的影響. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版), 49(6): 1714—1722

唐 武, 王英民, 仲米虹等, 2016. 異重流研究進(jìn)展綜述. 海相油氣地質(zhì), 21(2): 47—56

熊 杰, 袁野平, 林穎典, 2020. 浸沒(méi)及非浸沒(méi)剛性短植被群對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)特性的影響. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 54(3): 285—294

Baas J H, McCaffrey W D, Haughton P D W, 2005. Coupling between suspended sediment distribution and turbulence structure in a laboratory turbidity current. Journal of Geophysical Research, 110(C11): C11015

Cellino M, Lemmin U, 2004. Influence of coherent flow structures on the dynamics of suspended sediment transport in open-channel flow. Journal of Hydraulic Engineering, 130(11): 1077—1088

Cenedese C, Nokes R, Hyatt J, 2016. Lock-exchange gravity currents over rough bottoms. Environmental Fluid Mechanics, 18(1): 59—73

Chanson H, Trevethan M, Aoki S I, 2008. Acoustic Doppler velocimetry (ADV) in small estuary: field experience and signal post-processing. Flow Measurement and Instrumentation, 19(5): 307—313

Goring D G, Nikora V I, 2002. Despiking acoustic Doppler velocimeter data. Journal of Hydraulic Engineering, 128(1): 117—126

Hosseini S A, Shamsai A, Ataie-Ashtiani B, 2006. Synchronous measurements of the velocity and concentration in low density turbidity currents using an Acoustic Doppler Velocimeter. Flow Measurement and Instrumentation, 17(1): 59—68

Ikeda S, Kanazawa M, 1996. Three-dimensional organized vortices above flexible water plants. Journal of Hydraulic Engineering, 122(11): 634—640

Liu D, Diplas P, Fairbanks J D, 2008. An experimental study of flow through rigid vegetation. Journal of Geophysical Research, 113(F4): F04015

L?vstedt C B, Bengtsson L, 2008. Density‐driven current between reed belts and open water in a shallow lake. Water Resources Research, 44(10): W10413

Meiburg E, Kneller B, 2010. Turbidity currents and their deposits. Annual Review of Fluid Mechanics, 42(1): 135—156

Mohajeri S H, Righetti M, Wharton G, 2016. On the structure of turbulent gravel bed flow: implications for sediment transport. Advances in Water Resources, 92: 90—104

Nelson J M, Shreve R L, McLean S R, 1995. Role of near-bed turbulence structure in bed load transport and bed form mechanics. Water Resources Research, 31(8): 2071—2086

Nepf H M, Vivoni E R, 2000. Flow structure in depth-limited, vegetated flow. Journal of Geophysical Research: Oceans, 105(C12): 28547—28557

Noguchi K, Nezu I, 2009. Particle–turbulence interaction and local particle concentration in sediment-laden open-channel flows. Journal of Hydro-Environment Research, 3(2): 54—68

Ouillon R, Meiburg E, Sutherland B R, 2019. Turbidity currents propagating down a slope into a stratified saline ambient fluid. Environmental Fluid Mechanics, 19(5): 1143—1166

Ozan A Y, Constantinescu G, Hogg A J, 2015. Lock-exchange gravity currents propagating in a channel containing an array of obstacles. Journal of Fluid Mechanics, 765: 544—575

Shin J O, Dalziel S B, Linden P F, 2004. Gravity currents produced by lock exchange. Journal of Fluid Mechanics, 521: 1—34

Snow K, Sutherland B R, 2014. Particle-laden flow down a slope in uniform stratification. Journal of Fluid Mechanics, 755: 251—273

Tanino Y, Nepf H M, 2009. Closure to “Laboratory investigation of mean drag in a random array of rigid, emergent cylinders” by Yukie Tanino and Heidi M. Nepf. Journal of Hydraulic Engineering, 135(8): 693—694

Tanino Y, Nepf H M, Kulis P S, 2005. Gravity currents in aquatic canopies. Water Resources Research, 41(12): W12402

Thompson C E L, Kassem H, Williams J, 2013. Nearshore sediment resuspension and bed morphology. Journal of Coastal Research, 65(sp2): 1593—1598

Varjavand P, Ghomeshi M, Dalir A H, 2015. Experimental observation of saline underflows and turbidity currents, flowing over rough beds. Canadian Journal of Civil Engineering, 42(11): 834—844

Yuan Y, Wei H, Zhao L, 2009. Implications of intermittent turbulent bursts for sediment resuspension in a coastal bottom boundary layer: a field study in the western Yellow Sea, China. Marine Geology, 263(1—4): 87—96

Zhang X Y, Nepf H M, 2008. Density-driven exchange flow between open water and an aquatic canopy. Water Resources Research, 44(8): W08417

Zhou J, Cenedese C, Williams T, 2017. On the propagation of gravity currents over and through a submerged array of circular cylinders. Journal of Fluid Mechanics, 831: 394—417

Zhou J, Venayagamoorthy S K, 2020. Impact of ambient stable stratification on gravity currents propagating over a submerged canopy. Journal of Fluid Mechanics, 898: A15

Zordan J, Juez C, Schleiss A J, 2018. Entrainment, transport and deposition of sediment by saline gravity currents. Advances in Water Resources, 115: 17—32

EFFECT OF RIGID VEGETATION ON DYNAMICS AND TURBULENCE OF SEDIMENT GRAVITY FLOW DOWNSLOPE

WANG Yu-Hang1, HAN Dong-Rui1, WU Ting-Feng2, LIN Ying-Dian1

(1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 2. State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

A series of flume experiments were conducted to simulate gravitycurrents on sluice-opening downslope. The development course of particle-laden gravitycurrents was videoed with a high-speed camera, in which the velocity, concentration, and turbulence structures of turbidity currents were acquired using acoustic Doppler velocimeter (ADV) to understand the dynamics of particle-laden gravity currents under the effects of rigid vegetation. Results show that with the increase of vegetation height, the head and tail of particle-laden gravity currents were separated, and the vegetation height was more effect than the vegetation density on reducing the front velocity. Due to the presence of vegetation, both the peak velocity and the corresponding position shown in the velocity profile changed. In addition, the turbulence caused by the interaction between vegetation and gravitycurrents changed the sediment concentration profile and underpinned the suspended sediment particles upward. The findings of this study provide a significant scientific basis for solving engineering issues relative to natural environment protection and underwater engineering construction.

particle-laden gravity currents; downslope; rigid vegetation; turbulence

TV145

10.11693/hyhz20201200340

* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃, 2017YFC0405205號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目, 11672267號(hào), 41876089號(hào); 舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目浙江大學(xué)海洋學(xué)院專(zhuān)項(xiàng), 2018C81034號(hào); 浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目, LY20A020009號(hào); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金, 2020QNA4038號(hào)。王雨杭, 碩士研究生, E-mail: 21934126@zju.edu.cn

林穎典, 碩士生導(dǎo)師, 副教授, E-mail:kevinlin@zju.edu.cn

2020-12-24，

2021-02-27