植被对河道水流结构和泥沙起动的影响

论文摘要

水生植被是自然河道的重要组成部分之一,也是建设生态河道不可或缺的一环。由于植被的存在,导致河流水沙环境变化更加复杂,这一直以来都是河流运动力学中的难点,仍存在着很多有待研究的问题。本文使用坡度可变的水槽试验系统模拟河道,使用PVC塑料棒束模拟自然河道中的植被,通过高速摄影技术与图像处理技术相结合的方法,研究河流植被阻力及植被对河道水流结构和泥沙起动的影响。本文主要研究工作如下:(1)植被对河道水流阻力的影响研究了不同淹没度和平均流速情况下的水面比降变化情况和植被阻力的变化特性。植被的存在会产生不同程度的壅水现象,在淹没度小或平均流速大的情况下,壅水现象更明显;通过资料收集和受力分析,得到了水流阻力主要由壁面阻力、床面阻力和植被阻力构成,且植被阻力与弗劳德数,坡度,植被拖曳系数,植被阻水面积系数和植被段长度有关,结合本试验数据和前人试验数据,得到了植被阻力系数与上述参数的经验表达式,该式能在较大条件范围内较好的应用植被阻力系数的计算。(2)植被对河道紊流结构的影响研究了不同淹没度和平均流速情况下垂线上的流速分布曲线、紊动强度和雷诺应力分布规律。试验结果表明,存在植被的情况下,流速分布不再遵循对数分布律,而存在明显的分区现象。紊流强度和雷诺应力在植被顶端附近区域出现最大值,其位置与淹没度和弗劳德数有关,选取雷诺应力最大值为摩阻流速;垂向上的流速分布曲线可分为三个区域,上区遵循新的对数分布律,下区遵循多项式分布律,中区近似视为一次分布律,根据理论推导和数据拟合得到了上、中、下区的流速分布曲线,与实测曲线吻合良好。(3)植被对河道泥沙起动的影响研究了不同淹没度、不同坡度情况下床面不同粒径泥沙起动特性和起动临界流速,分析整个泥沙起动分为:局部起动阶段、沙坡形成阶段和全面起动阶段,本研究界定沙坡形成阶段转化到全面启动阶段的时刻为临界起动状态三个过程,比较了有无植被条件泥沙起动的临界拖曳力,并得到有无植被状况下不同泥沙雷诺数的关系式;从受力分析出发,推导出沙坡剪力与沙粒剪力之和的表达式,将在植被阻力部分得到的阻力公式代入Shields公式,得到起动临界流速表达式;从能量转换的角度,得到了起动单宽流量和能坡、粒径和水深的关系式,通过前人试验数据,确定了石英砂起动临界单宽流量和粒径、水深、能坡的表达式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究目标、内容
•     1.2.1 研究目标
•     1.2.2 主要研究内容
•   1.3 技术路线图
• 第二章 国内外研究现状
•   2.1 植被对河道水流阻力的影响
•   2.2 植被对河道紊流结构的影响
•   2.3 植被对河道泥沙起动的影响
•   2.4 目前研究存在的不足
• 第三章 植被对河道水流结构和泥沙起动影响试验
•   3.1 试验系统
•   3.2 主要设备和测量仪器
•   3.3 试验条件及试验步骤
• 第四章 植被对河道水流阻力的影响
•   4.1 试验条件
•   4.2 植被对河道沿程水位的影响
•     4.2.1 植被对水流状态的影响
•     4.2.2 植被对水面曲线变化特征影响
•   4.3 植被对河道阻力系数的影响
•     4.3.1 植被阻力特征量
•     4.3.2 受植被影响的水流阻力计算
•     4.3.3 柔性植被弯曲度特性
•   4.4 本章小结
• 第五章 植被对河道水流结构的影响
•   5.1 试验条件
•   5.2 试验结果
•     5.2.1 有无植被垂向流速分布对比
•     5.2.2 壁面距离对垂向流速分布影响
•     5.2.3 相对水深对垂向流速分布影响
•     5.2.4 断面平均流速对垂向流速分布影响
•   5.3 植被对紊流结构的影响
•     5.3.1 植被对紊流强度的影响
•     5.3.2 植被对雷诺应力的影响
•   5.4 植被条件对流速分布的影响
•     5.4.1 上区垂向流速分布
•     5.4.2 下区垂向流速分布
•     5.4.3 中区垂向流速分布
•     5.4.4 各区垂向流速分布
•   5.5 本章小结
• 第六章 植被对泥沙运动的影响
•   6.1 试验条件
•   6.2 泥沙起动特征
•   6.3 泥沙起动拖曳力
•   6.4 泥沙起动临界流速
•   6.5 临界起动功率
•   6.6 本章小结
• 第七章 结论及展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姚妮均

导师: 夏建新

关键词: 植被覆盖,植被阻力,紊流特性,泥沙起动

来源: 中央民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程,水利水电工程

单位: 中央民族大学

分类号: TV133;TV142

总页数: 93

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