Page 67 - 水利学报2021年第52卷第11期

然而，在植被群落发育初期或者洪水期，植被通常被完全淹没在水体中。此时，当水流抵近淹
没植被斑块时，除了可以从斑块两侧绕流和从其内部穿过外，还能从它的顶部绕流，这将使其尾流
结构变得十分复杂。但是，目前对于淹没植被斑尾流结构的研究十分欠缺。这在很大程度上制约了
对淹没植被群落附近及其尾流区域内的泥沙冲淤机理和植被群落生长演化趋势的认识。
本文基于实验室水槽实验，采用粒子图像测速系统（PIV）对刚性圆形淹没植被群落的尾流结构进
行研究，探讨植被群落密度对其下游时均流动的影响。

2 方法

2.1 实验布置 本次实验在武汉大学水资源与水电科学国家重点实验室的自循环水槽中进行。水槽
系统由水槽、水泵、电磁流量计及尾门组成。其中，平坡水槽长为 5 m、宽为 0.3 m、高为 0.25 m。淹
没植被斑由若干根直径相同且表面光滑的黑色圆柱形尼龙棒组成，植被群落在纵向上位于距水槽进
口 2.5 m 处，在横向上则位于水槽中央。坐标系统原点定义在植被斑块中心床面位置，x 轴正方向沿
顺水流方向，y 轴指向横向，z 轴正方向则垂直床面沿水深朝上，如图 1 所示。
流 场 的 测 量 采 用 二 维 粒 子 图 像 测 速 仪 。 本 研 究 所 采 用 的 PIV 系 统 由 双 室 脉 冲 激 光 器
（YAG200-NWL）、高速 CCD 相机（1600×1192 像素）、同步仪和数据采集系统构成。将植被斑块半高
处水平面和斑块中心对称垂面作为流速测量平面（如图 1），其中顺水流方向时均流速定义为 u ˉ ，横向
时均流速定义为 v ˉ ，垂直床面方向时均流速则定义为 w ˉ 。在实验中，由于植被群落的存在干扰了流
动，从而会在水面产生小尺度的表面波，这会使激光片光与水面形成夹角并造成片光的散射。因
此 ， 本 研 究 在 测 量 位 置 的 水 面 处 加 盖 一 薄 有 机 玻 璃 板 来 消 除 水 面 波 动 ， 以 确 保 片 光 垂 直 入 射 。
Schanderl 等 ［12］ 在淹没圆柱绕流的 PIV 实验中采用了相同的方式来消除表面波的影响，并证明了在本
研究所涉及的水深下，水面加盖的薄有机玻璃板不会对植被群落附近流场产生重大干扰。

Z
水流方向
H Y
z h X

y
D x d
测量平面

图 1 植被斑块布置及坐标系示意

本文实验中，每组实验均以 7.25 Hz 的采样频率连续采集 3000 对粒子照片，成像空间分辨率为
10.75 pix/mm。后处理采用 INSIGHT 3G 软件进行，进行瞬时流速计算时，为兼顾处理精度和计算效
率，将判别窗口尺寸设置为 32×32 像素，窗口重叠率为 50%。通过对 3000 个时刻的瞬时流场取均
值，即可得到时均流场。
2.2 实验工况设置 本研究一共开展 6 组淹没圆形植被斑绕流实验，各工况实验参数如表 1 所示。植

被斑块用由直径 d 为 0.36 cm 的圆柱形尼龙棒规则排列所组成的圆柱群来模拟，考虑斑块直径 D 和高
度 h 均为 7 cm 的 5 种不同密度的植被群落，以探究植被密度对其尾流流场的影响作用。同时，增设一
组直径 D 为 5 cm 的植被斑块作为参照。植被密度Φ定义为 Φ = πad 4 ，其中 a 是单位体积内圆柱迎水
前缘面积，也是一个表征植被疏密程度的重要参数， a = nd ，n 是单位床面面积内的圆柱根数。基于
斑块尺度 D 和植被茎秆尺度 d 的雷诺数分别定义为 Re = U D ν ， Re = U d ν ，ν是水的运动黏滞
d
0
0
D
系数。植被斑上游为恒定来流，各工况水深 H 均保持在 14 cm，上游来流流量保持为 3.822 L/s，对应
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