基于湿地生态植物沿程断面变化对水流特性影响的模拟试验研究

李 兵

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043)

当前，河道生态如何治理逐步成为社会关注的热点科学问题[1]。生态湿地是河流生态保护的重要举措[2]。而湿地植物对河流水利特性必然产生不同程度的影响[3]，近些年来，对于湿地植物对水流特性研究也得到许多国内学者的关注和研究[4- 7]，这其中，观测试验的方式是分析生态湿地植物对水流特性影响的重要途径[8- 10]。为此本文结合观测试验的方式，综合分析湿地植物类型和植物高度对其水流特性的影响，研究成果对于生态湿地的规划设计具有重要的参考和应用价值。

1 试验方案

1.1 方案设计

本次试验设计选用12个典型断面作为湿地生态植物沿程断面变化监测点，断面水流从断面1逐步向断面12流动，湿地生态试验现场如图1所示。为了保持湿地生态植物稳定的水流条件，在湿地植物的前端安置了3个断面，从第3个断面开始，对湿地植物的类型以及高度进行相应改变。每种类型植物之间的长度为2m，宽度为20cm，植物与植物之间的间距设定为3cm。为对断面流速进行分析，从水槽的第5个试验断面开始，分别设定5个断面流速的监测点，在4种湿地植物类型下，流量分别按照15、20、25、30L/s进行设定。

图1 试验场景

表1 湿地植物设计方案

表2 试验水流特性参数

1.2 水流特性指标分析方法

试验首选需要计算湿地植物水流的拖拽性系数，其计算方程为：

(1)

式中，Cm—惯性系数；ρ—水流的密度值，g/cm3；A0—植物的横断面面积，cm2；d—植物半径，cm；U—试验水流的流速，cm/s。

在计算水流特性时，需要计算水流的紊动能量，其计算方程为:

(2)

2 试验结果

2.1 植物高度对水流特性的影响

结合试验方案，对4种不同植物高度下的生态湿地水流特性进行观测试验分析，试验分析结果见表3，并对各流量条件下的植物高度水流特性影响进行分析，分析结果如图2所示。

从表3中可以看出，在生态湿地，湿地植物的高度对水流力学特性参数指标影响较为明显，在各试验组序中，随着植物高度的增加，水流特性出现较为明显的阻滞作用。从图2中可看出，在植物高度为2～5cm之间，植物高度对水流阻滞作用最为明显，随着植物高度的增加，对水流阻滞作用逐步减弱。

表3 植物高度的试验结果分析数据

2.2 植物类型对水流特性的影响

在植物高度分析的基础上，分析植物类型对水流特性的影响分析，具体分析结果见表4，如图3所示。

从表4中可看出，植物类型对湿地水流特性也较为明显，无草状态下水流较为平稳，随着草类型的变化，其对水流特性也逐步凸显。在各试验组次中，大草对水流特性具有较为明显的衰减作用，而小草和中草对水流波段衰减作用弱于大草，对于生态湿地而言，中草和小草对于水流影响较弱。从图3可看出，随着纵向沿程距离的增加，植物类型对水流都具有一定程度的衰减效应。距离较远处，其衰减效应逐步减弱。

图2 不同流量条件下的植被高度水流特性分析

图3 不同流量条件下的植被类型水流特性分析

表4 植物类型的试验结果分析数据

3.3 植物类型对水流紊能的影响

结合试验方式，对不同植物类型水流紊能进行分析，分析结果见表5。

表5 不同植物类型水流紊能分析数据

从表5可看出，不同植物类型下水流紊能变化不同，大草作用下水流紊能最强，无草状态下水流紊能作用最弱，中草和小草相对于大草类型，其紊能有所减弱。从各试验分组情况下，随着试验组序的增加，各植物类型的紊能作用逐步减弱。随着放水流量的增加，各植物类型下垂向流速分布特征较为一致，即在垂直水流的方向上，其流速逐步减弱，水深在2～3cm之间，其垂向流速较高，而3cm水深以下，这种递减趋势逐步明显。

4 试验结论

(1)植物类型对湿地断前流速影响较为明显，达到一定沿程距离后，植物类型对水流的阻滞作用明显减弱。植物大小确定情况下，湿地水流流速最大值的距离可以确定。随着距离的增加，不同植物类型和高度下水流流速和水位都有一个相对调整的过程。

(2)各植物类型下底部水流流速偏高，高于一般明渠水流流速，中草和小草类型下的水流紊能作用较小，建议在其湿地规划设计时表面高度在2～3cm设置中、小草植物类型，而在其底部设置大草，保持湿地最适宜的生态水流环境。