第1章 绪论
　　河流生态系统是自然界中重要的生态系统之一，具有供水、防洪、交通、动植物栖息地等重要功能，在自然、社会中占据重要的地位。而天然河道中或多或少都存在植被覆盖，这些植被有些是人为种植的，有些则是自然生长的。一方面，水生植被的存在增加了河床的阻力，使河道的水位升高，水流的平均流速减小，并且迫使部分水流动能转化成紊流脉动动能，降低了河道的行洪能力。另一方面，水生植被的存在可以稳固河槽，控制水流流态，减少水流对河床、边滩及岸坡的冲刷，维持河床和河岸的稳定，在改善水中生物生存环境的同时，滞留水中的污染物质，净化河流湖泊等水体的水质，在生态系统的和谐稳定及生态环境的保护过程中发挥着重要作用。此外，水生植被对水流速度、湍流结构、动量交换过程及泥沙输移有显著影响。因此，植被-水流-泥沙之间的相互作用日益成为急需研究透彻的课题。
　　目前，很多学者对植被存在情况下的水流流速分布进行了研究分析（唐雪，2016；王伟杰，2016；Chen et al.，2010；White and Nepf，2008），水流流速分布是植被水流的基本特征，它关系到河道流量的预测和水流流动形式的预测分析。求解水流流速分布的方法主要分为两大类：数值模型和解析模型（Stoesser et al.，2009）。数值模型，如大涡模拟模型、二维点阵模型、雷诺应力模型等，其优点是可以比较准确地预测水流流速分布，但同时存在计算量较大、耗时长、物理机理不够清晰等弊端。解析模型可以得到水流流速分布的表达式，其优点是具有清晰的计算方法且相对方便、快捷。在求解植被水流的流速分布特性时，依照河道的断面形状及控制方程的不同，可以将水流沿横向分为两区、三区或四区进行流速求解分析（Devi and Khatua，2016；Huai et al.，2008）。在刚性非淹没植被覆盖的复式河道的植被水流研究中，Huai 等（2008）根据复式河道的几何结构，将其分为三个区域：平滑主河槽区、带有斜坡的主河槽区及边滩植被区域，利用涡黏模型理论求解横断面的流速分布。此外，Huai 等（2009a ）将水流分成主槽区（无植被）和边滩区（有植被），在边滩区内忽略二次流的影响，在主槽区中考虑二次流的影响，利用深度平均的Naiver-Stokes 方程求解出了流速分布的解析解。Fernandes 等（2014）基于深度平均的Naiver-Stokes 方程，根据混合层宽度，将复式河道细分成四个区域：主槽充分发展区域、主槽混合层区域、边滩混合层区域、边滩充分发展区域，根据实测资料确定每个区域的二次流系数，得到了横断面的流速分布。Liu 等（2013 ）同样利用深度平均的Naiver-Stokes 方程，获得了刚性淹没与非淹没植被覆盖的复式河道水流流速的横向分布解析解。他们分析了在横断面的四个区域内二次流对流速的影响，并且发现二植被化河道水沙动力学
　　次流系数与相对水深有反相关关系，以及二次流方向是由子区域内水流的旋转方向决定的。Chen 等（2010）为了避免深度平均的Naiver-Stokes 方程中因量纲存在而产生的弊端，即无法分清重力项和摩擦阻力项对水流流速的影响，所以对方程进行无量纲化处理，得到了纵向流速的横向分布。分析发现，重力项决定流速的大小，摩擦阻力项决定流速的分布情况。
　　在无植被的河道中，泥沙运动已被许多研究者研究过（Wan Mohtar et al.，2020；Li and Katul，2019；Ali and Dey，2017；Celik et al.，2013；Goncharov，1962；Li，1959； Levy，1956；Shamov，1952；Shields，1936）。而在植被化河道中，由于植被与水流的相互作用，植被化河道内的水流结构和湍流比裸床上复杂得多。Tang 等（2013）通过水槽实验发现，有植被河道的泥沙运动现象与无植被河道有明显的不同。他们以观测结果为基础，将泥沙随植被运动的状态分为三个阶段。**阶段，流速相当低，没有泥沙颗粒在河床上移动。第二阶段，随着流速的增加，部分圆柱体周围的泥沙颗粒开始运动，冲刷孔达到平衡状态；然而，植被区不存在净输沙现象。第三阶段，随着流速持续增加到某一定值，出现由植被区向外的净输沙现象。在有淹没植被的水流中，也观察到了同样的现象（薛万云等，2017）。Yang 等（2016）通过实验探索了有刚性植被生长的明渠的初始泥沙运动。然而，不同于其他研究（Shahmohammadi et al.，2018；薛万云等，2017） 在河道底部铺撒一层足够厚的沙来模拟自然河床，Yang 等（2016）在粗糙的河床底部铺撒了一层薄薄的沙。因此，在他们的实验中，在圆柱体周围没有观察到明显的冲刷孔，这意味着泥沙的初始运动是在平坦的河床上。
　　植被明渠流中的水生植被对水流速度、湍流结构、动量交换过程及泥沙输移有显著影响。以往的研究表明，由于垂直方向上紊流强度变化较大，有植被明渠中的悬移质浓度（suspended sediment concentration，SSC）垂直剖面比无植被明渠复杂得多。Kim 等（2018）、V.stil. 和J.rvel.（2018）对圆形植被斑块内部和周围悬移质沉积的研究表明，植被增强了植被区域的泥沙沉积。这些研究表明，水生植被对泥沙输移速率有很大影响。时钟等（1998）通过对不同实验条件下的水流紊动结构、近底层流速和SSC 进行现场测定，探讨了海岸植物的存在对细颗粒泥沙运动的影响，结果表明，植物对水流的阻滞作用使近底层流速减小，SSC 较低。拾兵和曹叔尤（2000）指出，植被会抑制水流紊动，悬移质颗粒受到的向下的重力作用大于向上的水流紊动作用，导致部分泥沙落淤。Elliott （2000）通过开展植物形态对细颗粒泥沙沉积影响的实验证明，植被能够促进泥沙的落淤，且悬移质落淤量与植被的形态、密度及泥沙粒径有关，植被有枝叶时促淤作用更强，但枝叶面积与落淤量并非正相关。Baptist（2003 ）在非均匀流条件下进行了有、无植被泥沙运动的对比实验，结果表明，稀疏植被条件下泥沙输移得到加强，由于植被水流紊动加强，河床附近的湍流对再悬浮起作用，能让沉积的泥沙再次运动并保持悬浮状态。郭长城等（2006）研究了不同种类的植被对悬移质的沉降作用，发现沉积量随泥沙浓度的增大而增加。曹昀和王国祥（2007）构建了淹没植被水流的串联系统，探讨了不同相对淹没度下植被对SSC 和沉降量的影响，结果显示，植被可以降低水体中的SSC，且降低程度随水力停留时间的延长而加大。菹草的吸附作用促进了挟沙水流中悬移质颗粒的絮凝，加大了悬移质颗粒的质量，减少了再悬浮并促进了泥沙沉降。van Katwijk 等（2010） 观察到，稀疏的植被与河床沙化和细颗粒及有机物质的减少有关，认为稀疏植被内的紊动强度相对于无植被区域更高。随着植被密度的增加，河床逐渐从沙化（湍流强度增大）转变为落淤（湍流强度减小）。至于植被水流中SSC 的分布，由于SSC 的数据存在实验操作难度高和测量准确度较低的问题，相关论文屈指可数，吕升奇（2008 ）通过实验研究了刚性植被对水体中泥沙颗粒沉速和SSC 垂向分布的影响，分析了不同植物密度和水流条件下水流紊动对悬移质分布的作用机理。
　　许多学者对植被水流中的泥沙沉积模式进行了研究。Ortiz 等（2013）研究发现，无论泥沙局部区域的平均速度如何，湍流紊动能（turbulent kinetic energy，TKE）高的区域泥沙沉积量少，即颗粒再悬浮现象增强，这说明TKE 是影响颗粒沉降的主导因素之一。Liu 和Nepf（2016）研究了明渠断面流速和植被茎秆所产生的紊动能对植被斑块内部与附近泥沙沉积的影响，揭示出当植被茎秆处的雷诺数大于120 时，植被茎秆附近会产生紊动能。还有一些学者对泥沙沉积模式的相关特征长度进行了研究分析（Chen et al.， 2012）。Zong 和Nepf（2012）定义从植被斑块后缘到卡门涡街形成位置处之间的距离为Lkv，总结出该长度尺度与植被斑块直径、明渠断面流速、植被斑块下游行进流速和植被斑块旁边的行进流速之间的经验公式。Chen 等（2012）指出，在植被斑块后的一段距离内会出现泥沙的淤积现象，淤积区域的长度尺度与植被斑块直径和植被高度有关。除了植被斑块内的泥沙输移，连续植被区内的泥沙输移也吸引了不少学者的注意（Follett and Nepf，2018；Ricart et al.，2017；Gacia and Duarte，2001）。Zong 和Nepf（2010）发现，当连续植被斑块覆盖明渠水槽的一侧时，植被区前端的泥沙沉积量相比于空河床的泥沙沉积量有明显的减少，他们认为这是由植被引起的强紊动造成的。Lawson 等（2012）和van Katwijk 等（2010）发现，在稀疏的植被区内，由于紊动强度的增强，泥沙颗粒的再悬浮比较容易发生。淹没植被的密度影响了水流分布和紊动强度等特性，相反，这些水流特性会影响泥沙的再悬浮和沉降。Luhar 等（2008 ）认为，当无量纲化的植被密度较大时，植被冠层处的剪切层不能入侵到河床底部，由植被阻力引起的植被区内流速的减小及近河床紊动能的减小将导致泥沙的沉积量增加。当海草密度大于0.4 株/m2 时，泥沙再悬浮现象明显减弱（Luhar et al.，2008；Moore，2004）。van Katwijk 等（2010）认为，较密的海草植被会使植被区内出现泥沙沉积现象，即细小颗粒及有机物在河床中的含量会增加。相反，对于较稀疏的海草植被，近河床的紊动能会因为两个原因而有所增加：**，因为植被密度不大，植被区内的流速没有明显减小，所以植被茎秆会产生紊动能；第二，植被冠层产生的剪切层可以侵入河床（Luhar et al.，2008），所以细小颗粒在稀疏植被区内的沉积量会减少。Lawson 等（2012）在不同密度的海草植被区内，测量了泥沙粒子的再悬浮情况，发现在单位河床面积上，植被个数小于250 株时，泥沙的侵蚀率随植被化河道水沙动力学
　　着植被密度的增大而增大，这可能是由于在稀疏植被情况下，近河床的紊动能随着植被密度的增大而增大。然而，当植被密度增大到558 株/m2 时，泥沙侵蚀现象明显减弱。前人的研究展示了植被密度和紊动强度会影响淹没植被区域内的泥沙沉积情况，但这两个因素如何影响泥沙沉积模式，研究得还不够充分。
　　总体来讲，针对植被、水流及泥沙之间复杂的相互作用的研究，目前国内外处于起步阶段，需要学者进一步探索分析，从而尽可能为实际工程提供可靠的理论支撑。
　　植被与水流之间存在着复杂的相互作用，其对于河流的生态修复和河道整治等都有着重要的意义。本章对植被存在情况下的一维水流运动特性进行研究，分别从静态双层模型及其悬浮层的角度展开，并在水流和植被相互作用的基础上，提出一种辅助河床。利用辅助河床，建立由基流层和悬浮层组成的双层植被水流动力学模型，对有植被的渠化流动方程进行修正。而且这种新方法提出了一种名为“有效相对粗糙度高度”的参数来预测悬浮层的摩擦系数，该参数类似于无植被覆盖的明渠的相对粗糙度高度。通过对收集的数百个数据集的分析，提出了一系列基于有效相对粗糙度高度与悬浮层摩擦系数关系的计算公式。通过比较新旧公式的精度发现，新公式对流量、曼宁系数和谢才系数的估计比以前发表的公式更为精确，并*终给出一维植被水流运动特性。
　　2.1 阻力模型构建
　　水流阻力是水力学研究中的一个重要问题，在天然河道中，存在着各种水生植物，这些水生植物增加了河道的阻力系数，使得水流的平均流速减小，对水流结构的调整和污染物的混合输移起到了十分重要的作用，所以研究植被与水流的相互作用对于河流的生态修复和河道整治等都有着重要的意义，为了对河道进行生态修复和生态环境设计，掌握植被河道的过流能力是先行的基础性工作。估算天然河流水流阻力的方法，尤其是植被水流中水流阻力的方法仍处于探索阶段。