岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

摘要

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性，进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响，将植被作为固壁边界，利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道3维水动力数学模型，并对复式河道水流特性进行了模型验证，模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道开展水流特性研究，对比种植非淹没刚性植被、种植淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替种植和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换，引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加，同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小，紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中，岸坡种植非淹没刚性植被时对水流特性影响最为显著，相比无植被情况，种植非淹没刚性植被后，二次流结果显示增加了一对涡旋；岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小，甚至趋近于0；而临近植被的周围区域紊动交换剧烈，无量纲化的紊动能值可达到20。此外，随着河岸坡比减小，无植被河道滩槽间动量交换逐渐衰减，而坡面种植非淹没刚性植被后，则会减弱动量交换的衰减程度。

关键词

岸坡植被 / 水流特性 / 复式河道 / 雷诺应力模型 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金项目（U2040215;52079080）