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水 利 学 报

2021 年 11 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 11 期

文章编号：0559-9350（2021）11-1324-08

基于粒子图像测速技术的淹没植被斑时均尾流结构研究

柳梦阳，槐文信
（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

摘要：水生植被对维持生态系统健康稳定具有重要意义，而绕有限尺寸淹没植被群落的流动又对物质输移和植被
演化具有重要影响。本研究将淹没植被群落概化为圆形刚性圆柱阵列，并基于实验室水槽实验，采用粒子图像测
速技术对不同密度植被群落的尾流时均流场进行测量，以探究植被密度变化对其尾流结构的影响。结果表明：植
被斑内的顺流向出流强度随植被密度的增大而增大，同时植被斑直径的大小也对出流强度有影响；当植被密度大
于 0.1 时，植被斑的群体行为变得十分明显，在时均流场中植被斑下游会产生类似于淹没实心圆柱的三维“拱”
形回流涡，其与植被斑之间的距离随植被密度的增大而减小；稳定尾流区长度与拱形涡到植被斑后缘的距离成近
似正线性相关关系。研究成果对深入理解植被群落的绕流结构具有促进意义。
关键词：植被斑；尾流；PIV 测量；植被密度；淹没植被

中图分类号：TV131.2 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20201093

1 研究背景

水生植被广泛生长于河流、湖泊和近海区域，不仅为水生生物提供栖息地和食物来源，还可通
［1］
过吸附水体中的污染物来净化水体，对维持生态系统的健康稳定和可持续发展具有重要意义 。水生
植被的存在不仅会对水生环境中的生物过程产生影响，也会作用于水动力过程，如减小水流流速、
［2］
抬升水位、降低河道行洪能力 。同时，植被还能显著改变河道水流结构和紊动特征并影响物质输移
［3］
过程，进而改变河道演化过程 。因此，深刻理解植被与水流的相互作用机理具有重要价值。
在天然河道和浅水湖泊中，水生植被多以具有有限尺寸的植被群落形式存在，并常常呈现出近
似圆形分布 ［4-6］ 。在植被水流的理论研究中，考虑到真实植被的几何形态十分复杂，通常将其概化成
粗细均匀的刚性圆柱体。
近年来，已有诸多学者对绕非淹没植被斑块的流动进行了大量研究并取得了丰硕的成果 ［7-10］ 。如
Zong 等 ［11］ 通过水槽实验研究了植被斑块密度和斑块直径大小对尾流结构的影响。他们发现在植被斑
块下游存在着流速和紊动都较小的稳定尾流区，并建立了稳定尾流区长度与植被群落密度之间的经
［9］
验关系。Chen 等 ［10］ 通过水槽实验，对非淹没植被群落周围的泥沙沉积特性进行了研究。Chang 等 使
用分离涡模拟技术对浅水中绕圆形非淹没植被斑的平均流动和紊流结构进行了研究，并建立了植被
［5］
阻力系数与植被密度之间的函数关系。杨骐等 采用 SST k-ω模型对绕挺水刚性植被群落的流动进行
了三维数值模拟，探究了植被群落密度和水深对尾流时均流场和床面切应力分布特征的影响。焦军
［6］
丽等 用均匀分布的竹签代替挺水刚性植被，对植被群落尾流的紊动特性进行了深入研究并发现尾流
紊动强度与植被密度具有强烈的相关关系。

收稿日期：2020-12-30；网络首发时间：2021-05-31
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210528.1616.004.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（52020105006，11872285）
作者简介：柳梦阳（1995-），博士生，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：liumy@whu.edu.cn
通讯作者：槐文信（1963-），教授，主要从事环境及生态水力学研究。E-mail：wxhuai@whu.edu.cn
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