第1章 绪论
　　1.1 概述
　　近年来，水污染问题日渐严重，引起了人们对人水和谐理念的广泛思考，如何恢复受损河流的生物多样性和自然景观多样性被专家学者和公众广泛关注。为了有效恢复河渠的生态功能并保证其输水与行洪能力，需要在传统水利建设基础上充分考虑生态学的功能，大力推动生态文明建设和绿色转型，拓展新路径、实现新突破。为维持自然生态的可持续发展，水生植物的生态修复功能被广泛应用于修复已遭破坏的河湖生态系统。
　　自然界植物种类繁多，仅水生植物就有沉水植物、挺水植物和漂浮植物等，且同一种植物不同生长期的形态也是千差万别。植被在影响水体的动力学过程、生态平衡和环境保护等方面起着重要作用，植物群落在改善水质、减轻侵蚀的同时，也增加了对水流的阻力，减缓了河道流速，提高了水位，降低了河流的过流能力，从而增大了洪涝灾害的风险。许多研究致力于这一主题，已对植被进行了水槽实验、植物原型实验等，也进行了许多理论和数值解的相关研究。开展这一研究不仅为河渠行洪能力的设计、能量损失特性、水质净化、环境污染治理、河湖生态修复等提供科学依据，有较高的实际应用价值，还对水生态学、水文学、水力学及紊流力学等具有重要的基础理论意义。
　　1.2 国内外研究进展
　　水流中流场特性、能量损失特性、污染物输移特性、水质净化物理过程及化学过程均与植被息息相关，植被存在下的水流运动在学术上称为植被水流，得到了国内外很多学者的关注（Xian et al.，2017；Wang et al.，2013；Katul et al.，2011；Cheng，2011；J.rvel.，2005；Ghisalberti et al.，2004；Carollo et al.，2002）。主流研究方法是采用**的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equation，N-S 方程），并将其进行雷诺平均化处理，同时将植被对水流的形状阻力概化为空间上的拖曳力进行研究（刘昭伟等，2011；Poggi et al.，2004a）。在形态上，主要将植被概化为圆柱体（Wang et al.，2015b；Cheng，2011；Tanino et al.，2008；Dunn et al.，1996），并且对植被阻流效应的研究大多针对单一因素展开，如对植被的拖曳力系数特性进行研究（Cheng，2012；Gosselin et al.，2010；James et al.，2004）、对植被密度特性进行研究（Poggi et al.，2004c）、对植被排列分布形式进行研究（Liu et al.，2008）、从多层植被角度进行研究（郝文龙等，2017）、从植被的柔韧性角度进行研究（Okamoto et al.，2010；Ghisalberti et al.，2006；J.rvel.，2005），以及从不同的河道形式角度进行研究（张明亮等，2009 ；曾琳等，2009 ；王海胜等，2009）。
　　植被和河流流动之间的相互作用复杂且相互关联。河流流动的许多基本过程在物理上与其他水文应用相同，如陆地水流路径和陆地植被的气流建模（de Langre，2008）。植物生长增加了流动阻力，降低了平均流速，从而提高了水位，并影响了混合和输运过程（Nepf，2012；Aberle et al.，2010）。植被区域通过降低流速和增加湍流强度改变生物地球化学过程或水力停留时间（Caroppi et al.，2019），因此其对水化学和质量具有重要影响（Findlay，1995）。植被在泛滥平原上捕获沉积物、颗粒物和污染物（Le Bouteiller et al.，2015）。河岸植被吸收溶解的营养物质，从而减少富营养化（Luhar et al.，2013；Clarke，2002），在较长的时间尺度上，生长有水生或河岸植被的区域可以作为沉积物和污染物的源或汇（Naiman et al.，1997）。
　　许多河流的研究和管理目的需要准确地估计水流阻力，预测水位、河道几何形状和地貌的变化（Gurnell，2014）。这就需要细化天然植物与水流参数的分析，模型计算需要不断适应变化的环境条件。从河流管理的角度来看，人们越来越关注基于自然的解决方案，并减少与传统硬水利工程实践相关的不利环境影响（Baczyk et al.，2018；Rowiński et al.，2018；deVriend et al.，2015）。
　　1.2.1 植被阻力特性研究
　　植被的存在使河道中的水流阻力显著增大，国内外学者针对植被阻力系数及阻流机理做了大量的研究工作（蒋北寒等，2012；江春波等，2009；刘超等，2009；唐洪武等，2007；吴福生等，2007；Lee et al.，2004；王忖等，2003；J.rvel.，2002；Stephan et al.，2002；Kouwen et al.，2000）。实验是探寻植被影响下水流特性的有力方法（Liu et al.，2016；Wang et al.，2015a，2015b，2014；Tang et al.，2014，2007a，2007b）。国内外许多学者针对植被不同类型、植被不同排列方式，以及不同来流条件进行广泛的植被水流实验研究（Ozan，2018；Zhan et al.，2017；Fathi-Moghadam et al.，2011；Chen，2010；Carollo et al.，2005；Stephan et al.，2002；Wu et al.，1999；Li et al.，1973；Hsieh，1964）。有些学者主要从涡的发展过程开展研究，探寻对流扩散和物质输移在水流方向上的变化规律（Tang et al.，2013；Maltese et al.，2007；Folkard，2005），基于刚性植被研究从边界层到混合层的发展过程（Okamoto et al.，2013），并对植被水流的研究从一维逐渐发展到三维、从概化的刚性植被发展到真实的柔性植被（Wang et al.，2018b，2015b；Huai et al.，2014，2013；Dunn，1996；Pasche et al.，1985）。柔性植被在水流的作用下会发生茎秆弯*和叶片摆动现象，相比刚性植被更加复杂（Righetti，2008；J.rvel.，2002；Nepf et al.，2000；Kouwen，1992；Kouwen et al.，1981）。Ghisalberti 等（2009）通过实验研究柔性植被摆动的monami 现象并得到植被柔韧度对水流结构的影响。
　　针对刚性植被对水流的阻力效应，唐洪武等（2007 ）基于水流阻力等效原则，提出了综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式。Poggi 等（2009）采用一阶闭合模型，用涡黏性理论描述紊流切应力，通过量纲分析的方法得到植被作用下的达西-魏斯巴赫阻力系数与三个植被化特征长度尺度相关，即水深、植被高度及植被化阻力长度。在此基础上，美国Katul 等（2011 ）研究了植被对洪水演进机理的作用，他们的解析解揭示了不同淹没度下的植被阻力特性。Hui 等
　　（2010）通过实验研究得到植被化水域中阻力系数沿垂向的变化特征，同时得到阻力系数与植被化特征参数的相关关系。Cheng 等（2010）通过构建植被化的特征参数，包含植被化水力半径、植被化雷诺数，并基于多组实验工况的结果，揭示了植被的拖曳力系数与植被化雷诺数呈近似负相关关系。美国Konings 等（2012）提出了唯象理论，巧妙地将涡的运动特性引入混合层理论，揭示了植被的阻力特点。美国麻省理工学院Nepf（2012）的研究揭示了植被水流中不同区域的主导涡的特性，揭示了基于植被阻力的开尔文-亥姆霍兹（Kelvin-Helmholtz，K-H）涡入侵深度规律。Wang 等（2015b）对非恒定流条件下的非淹没刚性植被的阻流机理进行了研究，揭示了植被的拖曳力系数与流动雷诺数的相关关系，即随着雷诺数增加，拖曳力系数会先增大后减小，呈现类似抛物线的特性，完善了降雨径流后植被对水流的阻力效应。澳大利亚Etminan 等（2017）基于植被密集度、有效过水断面等植被化特征参数，提出新的植被拖曳力系数公式。Wang 等（2019a）在总结大量室内水槽实验的基础上，针对刚性植被在水流中的拖曳力系数变化规律，提出新的阻力系数公式，并通过对比不同植被密集度、植被化雷诺数条件下的植被拖曳力系数，揭示了植被“增阻效应”和“减阻效应”的产生机理，进一步完善了刚性植被对水流的阻力效应研究。
　　植被诱导的粗糙度、流动阻力或阻力用不同的方式表示。根据模型尺寸，通常使用达西-魏斯巴赫摩擦系数f、曼宁系数n或谢才系数C。目前，许多水文和水力模型依赖使用文献或专业判断确定的流量阻力值，容易产生较大的不确定性和误差。一方面，由于水流阻力对植被密度、平均流速和水位有强依赖性，恒阻值的应用是不可靠的。然而，对于简单植被，推导出的流动阻力系数通常用于一维水文和水力模型，适用于大范围的植被密度和平均流速；在极少数情况下，粗糙度系数根据水深而变化，应动态地考虑植物灵活性或水流阶段变化引起的阻力变化。另一方面，预测天然洪泛平原的植被流动阻力仍较困难，像生长着多种植被类型的组合（如较短的草、较高的柔性灌木和乔木等多种组合）。这使植被特征产生了很大的可变性，需要在建模过程中解决，并使常采用的将植被简化为刚性圆柱元素的模型产生不确定性。为了解决这些差距，人们提出了改进的流动阻力参数化方法，该方法适用于不同密度、流速和淹没程度的各种植物，如从刚性茎干到柔性叶状植物。植被密度越来越多地表示为单位体积a的参考面积，并且植被叶面积指数（leaf area index，LAI）被广泛应用于大量的模型中，包括流动阻力公式等。
　　1.2.2 水流运动特性研究
　　植被化河道的水流运动特性是环境水力学的重要研究方向之一，其主要的研究内容包括水流的分层结构特性、流场特性及紊动特性等。
　　从水流的分层结构特性角度考虑，基于水流结构划分，在垂向上根据植被在水流中的位置及水流紊动特性的不同，可以将流动区域沿垂向分为单层、两层、三层或四层展开研究，其中包括黏性底层区、尾涡修正区、混合层及边界层等（Wang et al.，2019b；Cheng，2015；王文雍等，2012；Huai et al.，2009；时钟等，2003）。例如，Cheng（2015）将植被化的水流等效为单层流动进行研究，通过理论推导和实验相结合的方法得到水深平均流速的表达方式。Klopstra 等（1997）对淹没植被提出了流速解析解模型，将水流分为植被层和植被层上方的自由水层分别求解，其中在植被层中采用布西内斯克的涡黏性模型描述紊流切应力，在自由水层中采用普朗特混合长度理论得到对数分布的流速模型。李艳红等（2003）在室内水槽中模拟有狐尾藻（Myriophyllum）和黑藻（Hydrilla）两种植物存在的河流环境，并采用尼克松微流仪测量水中不同植物密度、流量和测量位置下垂向上的水流流速分布，得出不同水层的流动特性。刘昭伟等（2011 ）对灌木丛植被影响下的二维流场进行研究，充分考虑灌木挡水宽度的形态变化，基于混合长度模型求解得到纵向流速的垂向分布两层模型。Yang 等（2010）假定植被层的流速为均匀分布，对自由水层中流速采用对数分布，并根据植被密度的不同设定稀疏植被与密集植被的阈值，提出与之相对应的流速分布两层模型。Ghisalberti 等（2002）开展水槽实验研究淹没植被水流的动力学特性，结果发现植被顶部附近的立面二维流速分布并不满足对数分布规律，而是展现出双*正切分布的规律，并在植被顶部区域提出了新的基于开尔文-亥姆霍兹不稳定性的植被化水流混合层理论。Huai 等（2009）将植被水流分为三层来研究，其中针对紊动特性及涡结构的不同，将植被层进一步细分为植被层上部和植被层下

目录
第1章绪论 1
1.1 概述 3
1.2 国内外研究进展 3
1.2.1 植被阻力特性研究 4
1.2.2 水流运动特性研究 6
1.3 研究内容概况 8
第2章不同尺度粗糙物影响下的水流特性 11
2.1 小尺度粗糙物情况下的水流特性 13
2.2 大尺度粗糙物情况下的水流特性 15
第3章植被水流流场特性 19
3.1 流速分布数值模型 21
3.1.1 控制方程 21
3.1.2 参数选取 22
3.1.3 实验数据收集 23
3.1.4 模型验证 24
3.2 流速分布解析模型 25
3.2.1 植被层流速解析解 25
3.2.2 自由水层流速解析解 28
3.2.3 数据搜集与汇总 28
3.2.4 流场模型验证 29
3.2.5 参数讨论 30
第4章植被水流能量损失特性 35
4.1 基本方程 37
4.2 基于数值实验的能量损失系数公式 37
4.2.1 数值实验过程 38
4.2.2 能量损失系数公式 40
4.2.3 模型验证 40
4.3 基于遗传算法的能量损失系数公式 42
4.3.1 遗传算法计算流程 42
4.3.2 实验数据收集与整理 43
4.3.3 能量损失系数公式 44
4.3.4 模型验证 46
第5章植被化水动力特征参数定义 49
5.1 基本方程 51
5.2 植被化水力半径 52
5.3 植被粗糙度 53
5.4 模型验证 54
第6章植被阻流机理及定量化描述 57
6.1 基本方程 59
6.2 挺水植被阻流机理 60
6.3 沉水植被阻流机理 63
6.3.1 不同水层流速关系 63
6.3.2 阻力系数规律 64
6.3.3 模型对比验证 65
第7章结论 69
参考文献 73
附录实验数据汇总 85
S1 挺水刚性植被实验数据 85
S2 沉水刚性植被实验数据 89
S3 沉水柔性植被实验数据 101
编后记 107