生态浮床不同覆盖率对河道水动力特性影响研究

董 祯，周志华，李彦涛

（天津市水利科学研究院，天津 300061）

生态修复工程作为景观建设和水生态修复技术，被广泛应用于河道生态治理中。生态浮床作为典型工程之一，在发挥净化污染、恢复生态、提升景观作用的同时， 对城市河道泄洪排涝会造成影响。 目前，张凯等［1］用塑料草代替水生柔性植被进行水槽系列试验， 研究柔性植被对水流的影响。 焦军丽等［2］、李坤芳等［3］用均匀圆柱形竹签、木棒、玻璃棒模拟非淹没的刚性植被， 探讨植被群落对水流紊动能分布的影响。 袁梦等［4］将生态浮床概化为单层式固定多孔介质域，整个多孔介质域具有同一孔隙率。大部分研究采用室内水槽试验与数值模拟相结合的方式，以证明采用的方法行之有效。

生态浮床不同覆盖率对河道影响的研究， 有些学者研究了其对富营养化水体的净化效果， 如吴华莉等［5］研究铜钱草生态浮床15%、30%和45%覆盖率对污水的净化效果， 目前很少有人研究生态浮床不同覆盖率对河道防洪的影响。

本文以水槽试验实测数据作参照， 构建水槽三维水动力数学模型，研究生态浮床的水动力特性，探求生态浮床不同覆盖率对水流的影响， 进而为城市河道防洪及规划管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 水槽试验

试验水槽系统包括进水管道、稳水栅、水槽、可调节尾门、流速水位量测测架等。试验水槽全长30m、宽2m、高0.9m，其中模拟试验段总长12m，铺设20cm厚的石子作为试验段床面。在试验段设置了5个流速测量断面、11个水面线测量断面，每组工况每个流速测量断面分左、中、右3条测线，每条测线沿水深均匀布设6个测点。 试验条件为：进口流量0.32m3/s，即断面平均流速为0.4m/s，出口控制断面水深40 cm。流速测量采用声学多普勒流速仪（ADV）。

水槽试验进行了2种工况，即无浮床工况和浮床工况（横向长度1 m×纵向长度4 m）。 其中将垂直于水流方向长度看作横向长度，沿水流方向长度看作纵向长度。

1.2 水槽三维水动力模型

1.2.1 三维水动力模型基本控制方程

关于三维模型采用K-ε两方程紊流模型，其张量表达形式如下所述：

水流连续方程：

式中 ui、uj为速度分量；uk为时均速度分量（m/s）；xi、xj为坐标分量；t为时间（s）；ρ为密度（kg/m3）；μ为分子黏性系数； ρ 为修正压力（Pa）；v为流体运动黏性系数；vt为紊流黏性系数；K为紊动动能；ε为紊动能耗散率；l为特征长度；c1、c2、σk、CD、Cu为经验系数。

结合无浮床工况水槽实测数据， 调试水槽三维水动力模型的粗糙度厚度、粗糙度常数等参数，将水面线、流速等计算成果与实测数据进行拟合，进行三维水动力模型的率定。

1.2.2 网格划分

网格采用结构化六面体网格。 网格沿水流方向、水槽横断面方向、水槽垂直方向分别设置成X、Y、Z方向。

1.2.3 边界条件

无浮床工况设置边界条件如表1。

表1 无浮床工况边界条件

1.2.4 参数及解算方法设置

采用标准K-ε紊流模型，近壁处理采用标准壁面函数。 解算采用SIMPLE模式。 压力插值格式采用Body Force Weighted模式，动量、体积分数、紊流扩散系数等插值格式均使用一阶迎风模式。 亚松弛系数均采用默认系数。 计算经过10000个时间步长，每个时间步长为0.05 s。

1.2.5 率定结果

1.2.5.1 水面线

无浮床工况下，当粗糙度厚度Ks=0.035，粗糙度常数Cs=0.8时， 实测数据与模拟水面线两者最大差值为0.66mm。根据计算，水面线拟合的纳什效率系数为0.97，拟合效果较好。

1.2.5.2 断面流速分布

通过率定后，无浮床工况5个流速测量断面中线各测点流速最大差值不超过0.063m/s，相对误差除个别点外均处于5% 以下；数值模拟垂线流速分布情况合理。 综上所述，无浮床工况流速拟合情况较好。

2 结果与分析

2.1 计算工况介绍

为了研究生态浮床条件下水槽的水位、流速，分析生态浮床不同覆盖率对水流的影响，拟定5个工况进行模拟计算。

工况1：浮床1m×2m（横向长度×纵向长度），浮床横向长度占水槽横向长度比例50%， 纵向长度占水槽纵向长度比例17.78%，浮床覆盖率8.89%。

工况2：浮床1m×4m（横向长度×纵向长度），浮床横向长度占水槽横向长度比例50%， 纵向长度占水槽纵向长度比例35.56%，浮床覆盖率17.78%。

工况3：浮床1 m×8 m（横向长度×纵向长度），浮床横向长度占水槽横向长度比例50%， 纵向长度占水槽纵向长度比例71.11%，浮床覆盖率35.56%。

工况4：浮床2m×4m（横向长度×纵向长度），浮床横向长度占水槽横向长度比例100%，纵向长度占水槽纵向长度比例35.56%，浮床覆盖率35.56%。

工况5：浮床2m×8m（横向长度×纵向长度），浮床横向长度占水槽横向长度比例100%，纵向长度占水槽纵向长度比例71.11%，浮床覆盖率71.11%。

2.2 网格划分

模型分为浮床主体区、浮床根系区、非浮床区。如1m×4m生态浮床的根系长10～15cm，可以概化浮床根系区X、Y、Z方向尺寸分别为4，1，0.1m，范围为0.3～0.4m，位于初始水面以下；浮床主体区X、Y、Z方向尺寸分别为4，1，0.1m，范围为0.4～0.5m，位于初始水面以上。

2.3 边界及区域条件

浮床工况设置边界条件如表2。

表2 浮床工况边界条件

结合国内外研究现状， 本文利用一种两层式的固定多孔介质域概化模拟生态浮床， 上部分的浮床主体是孔隙率较小、透水性较差的多孔介质，下部分的植物根系是孔隙率较大、透水性较好的多孔介质。

浮床根系部分的孔隙率取65%， 浮床主体部分由于存在种植植物的圆孔及浮床基质， 假设其孔隙率为10%。 通过试算，确定浮床根系部分的黏性阻力系数和浮床主体部分的黏性阻力系数分别为7.2×107和2.5×108。

2.4 各工况结果对比分析

2.4.1 水面线

浮床不同纵向比例工况水面线（Y=1.0 m处）如图1、图2。

图1 工况1（1m×2m）、工况2（1m×4m）和工况3（1m×8m）水面线

图2 工况4（2m×4m）、工况5（2m×8m）水面线

浮床不同横向比例工况水面线（Y=1.0 m处）如图3、图4。

图3 工况2（1m×4m）、工况4（2m×4m）水面线

图4 工况3（1m×8m）、工况5（2m×8m）水面线

浮床相同覆盖率、 不同布置形式工况水面线如图5。

图5 工况3（1m×8m）、工况4（2m×4m）水面线

5种工况水面线峰值：

工况1（1m×2m）：41.22cm；

工况2（1m×4m）：41.26cm；

工况3（1m×8m）：41.44cm；

工况4（2m×4m）：43.18cm；

工况5（2m×8m）：44.38cm。

分析图1～图5和各工况水面线峰值可知：

（1）5种浮床工况的水面线总体趋势相近， 均为浮床上游段水位较初始水位壅高， 在浮床前缘处水位达到峰值。进入浮床段水位逐渐降低，在浮床尾部水位下降至谷值。进入浮床下游段水位略有回升，接着逐步降低至控制断面水位。

（2）对比图1～图2中水面线趋势和水面线峰值可知，浮床横向比例相同，纵向比例越大，水位壅高越大。 工况1（1m×2m）、工况2（1m×4m）和工况3（1m×8m）水位峰值差值均不足0.3cm，工况4（2m×4m）和工况5（2m×8m）的水位峰值差值为1.2cm。

（3）对比图3、图4中水面线趋势和水面线峰值可知，浮床纵向比例相同，横向比例越大，水位壅高越大。 工况2（1m×4m）和工况4（2m×4m）水位峰值差值为1.92cm。 对比工况3（1m×8m）和工况5（2m×8m）的水位分布图和水面线峰值，水位峰值差值为2.94cm。

（4） 对比图5中水面线趋势和水面线峰值可知，工况2（1m×4m）和工况4（2m×4m）浮床占水槽的覆盖率相同，均为35.56%，工况4（2m×4m）水面线峰值比工况3（1m×8m）高1.74cm。

（5）生态浮床覆盖率越大，造成的水面线壅高越明显。生态浮床覆盖率相同，水面线壅高程度受浮床布置形式影响。 由（2）（3）（4）可知，相比浮床纵向比例，浮床横向比例对水位的影响更明显。

2.4.2 流速

各工况水流流场如图6～图10。

图6 工况1（1m×2m）流场

图7 工况2（1m×4m）流场

图8 工况3（1m×8m）流场

图9 工况4（2m×4m）流场

图10 工况5（2m×8m）流场

分析各工况流场图可知：

（1）工况1（1m×2m）、工况2（1m×4m）和工况3（1m×8m）的流场图总体趋势相近，水流遇浮床段均绕开浮床流动， 主要体现在浮床前缘与浮床尾部附近流动方向改变，表面流速略有减小，浮床两侧表面流速有所增大。浮床段表面流速呈中部流动，方向沿水流方向，两侧受浮床水流影响，呈向外扩散趋势。

（2）工况4（2m×4m）、工况5（2m×8m）中浮床阻截了整个横断面， 浮床上游段和浮床段表面流速明显减小，进入浮床下游段后逐渐恢复。水流在浮床前缘处和尾部附近流动方向改变， 水流在浮床段沿水流方向流动。

（3）5种工况中流场均没有出现漩涡等水流极度紊乱的现象。

浮床上下游断面流速变化情况： 将Y=0.5m处流速看作左线流速，Y=1.0m处流速看作中线流速，Y=1.5m处流速看作右线流速。 分析对比各工况上下游断面左、中、右线流速，其中上游断面取X=1.8m处，下游断面工况1（1m×2m）取X=6.0m处，工况2（1m×4m）和工况4（2m×4m）取X=8.0m处，工况3（1m×8m）和工况5（2m×8m）取X=11.0m处。 断面流速沿水深变化情况如图11～图14。

图11 上游断面左（右）线流速

图12 上游断面中线流速

图13 下游断面左（右）线流速

图14 下游断面中线流速

分析上述各工况流场图和上下游断面流速对比图可知：

（1）横剖面流速左右对称分布。

（2）浮床工况上游断面流速，距槽底距离0～0.2m范围内，流速较无浮床工况略有增大，左（右）线流速平均相对增幅8.6%、14.5%、28.6%、38.7%、36.9%（工况1～5）， 中线流速平均相对增幅24.0%、13.8%、8.5%、39.1%、37.4%。距槽底距离0.2～0.4m范围内，流速较无浮床工况减小，左（右）线流速平均相对减幅9.6%、10.3%、10.8%、49.6%、52.2%，中线流速平均相对减幅30.0%、30.9%、32.2%、50.8%、53.6%。

浮床工况下游断面流速， 距槽底距离0～0.2m范围内，左（右）流速较无浮床工况略有增大，左（右）线流速相对增幅2.3%、8.0%、5.3%、3.3%、7.1%，工况1～3中线流速较无浮床工况略有减小， 相对减幅6.2%、4.7%、4.6%， 工况4、5中线流速较无浮床工况略有增大，相对增幅4.9%、10.2%。 距槽底距离0.2～0.4m范围内，流速较无浮床工况减小，左（右）线流速相对减幅6.7%、4.2%、3.0%、11.0%、17.4%，中线流速相对减幅23.2%、23.1%、30.0%、9.5%、15.0%。

综上所述，浮床对水流流速的影响为：相比无浮床工况，在浮床上游，水面附近水流流速减小，水槽底部附近水流流速增大。进入下游，水面附近水流流速减小且减幅较小， 各工况水槽底部附近水流流速增减幅度均较小。 受影响最大的是浮床上游水面附近中线流速，减幅50%左右。 浮床覆盖率对流速的影响与浮床布置形式有关。浮床覆盖率相同，浮床布置形式不同，则水面壅高程度和流速减幅不同。其中横向比例对水位和流速的影响较大。

3 结语

（1）生态浮床对水面线的影响在上游壅水，浮床前缘附近水位达到峰值，进入下游水面降落。生态浮床对水流流速的影响在浮床上游， 水面附近水流流速减小，水槽底部附近水流流速增大。 进入下游，水面附近水流流速减小且减幅较小， 各工况水槽底部附近水流流速增减幅度均较小。 受影响最大的是浮床上游水面附近中线流速，减幅50%左右。

（2）浮床覆盖率越大，造成的水面壅高越明显。浮床覆盖率对水位和流速的影响与浮床布置形式有关。 浮床覆盖率相同，浮床布置形式不同，水面壅高程度和流速减幅不同， 其中横向比例对水位和流速的影响比纵向比例大。

（3）由于模型模拟的水槽远小于实际河道大小，受模型边际效应影响， 模拟结果将大于实际河道中生态浮床的影响。 此外，对于南方雨季浮床的影响，仍需进一步研究。