含挺水植物和沉水植物水流紊动特性

在一定的水动力条件下,不同水生植物对水流结构改变的程度及对底泥再悬浮的影响由于其形态结构的差异有所不同.在玻璃水槽中铺设太湖底泥并种植天然沉水植物(水蕨)和挺水植物(菖蒲),通过水槽实验,用三维声学多普勒流速仪ADV对植物段紊流特性进行测量研究,分析含水生植物明渠水流的水力特性及底泥再悬浮规律.结果表明:含沉水植物和挺水植物明渠水流的垂向流速分布各自遵循不同的规律;其紊动强度和雷诺应力具有明显的各向异性特性;在沉水植物冠层交界处及挺水植物的茎杆和枝叶分叉处,紊流强度及雷诺应力均出现最大值;在一定条件下沉水植物和挺水植物均能抑制底泥再悬浮,但当雷诺数达到一定数值时,水生植物的存在反而加剧了底泥的再悬浮,与挺水植物相比,沉水植物对底泥再悬浮的抑制效果要更好.     

明渠交汇水流阻力对平面二维数值模拟的影响

与顺直明渠水流相比,明渠交汇水流由于存在分离区和自由剪切面,其紊动特性引起的阻力较为复杂,交汇水流除床面阻力外还受到较强的阻力。基于数值模拟与实验比较分析表明,分离流与自由剪切流所产生的阻力(紊动粘性阻力)对于交汇水流数值模拟具有重要影响。同时,由于平面二维模型对二次流影响的忽略,断面环流较强时数值模拟会产生较大的阻力(环流阻力),而断面环流较弱时,交汇水流的三维特性相对较弱,采用平面二维模型和k-ε紊流模型能达到较好的模拟效果。因此,紊动及环流阻力的计算对交汇水流数值模拟的精度至关重要。     

河流管理中含植物水流问题研究进展

河流管理涵盖灌溉、防洪、河流生态、环境等众多内容,其目的在于保护和恢复河流生态系统的整体生态功能。植物是具有生态功能河流的重要特征,为动物提供了栖息地,是维持河流健康发展的重要因素。由于植物的存在改变了水流运动特性和泥沙及污染物输移规律,含植物水流问题引起了河流管理领域的广泛关注,并且成为河流动力学新的重要的研究课题。回顾了当前国内外河流管理中含植物水流问题研究的主要成果,归纳为水流阻力、紊流结构、泥沙运动和被动标量扩散输移四个方面的研究内容,详细介绍了重要的研究方法、结论和量测手段,讨论了含植物水流问题当前研究存在的不足,并指出今后的研究趋势。     

含植物河道紊流结构研究进展

自然河流中,水生植物的存在改变了河道中的紊流结构.与普通明渠紊流相比,含植物河道水体掺混更剧烈,紊流结构更复杂.由于紊流结构直接影响河流中泥沙、污染物和营养物的输移,含植物河道紊流结构研究越来越受到重视.从紊流平均结构、紊动特性、拟序结构和紊流类型几方面归纳并总结了国内外研究进展,综合分析了影响紊流结构的因素,提出利用场与点相结合的综合分析方法,对拟序结构的形成及发展过程进行定量刻画,探究植物条件下紊流机理是今后的重要研究方向.     

水生植物对水沙运动影响的三维湍流模型

水生植物的存在改变了明渠内水流的流动结构,也影响着泥沙的输运。建立三维湍流模型,在水流控制方程中加入植被阻力项和植被密度项来考虑刚性植物对水动力特性和泥沙输运特性的影响。应用该三维数值模型计算了矩形水槽内淹没植被对水流水平时均流速垂向分布的影响、复式明渠边滩栽种挺水植被对水流深度、平均流速分布以及植被岛周围泥沙床面的冲淤变形的影响。数值计算结果与实测结果吻合良好,表明本模型可以有效地描述刚性水生植物对水流泥沙运动的影响。     

植物粗糙度对明渠水流阻力影响的试验研究

以水力半径分割法的思想为出发点,建立了新的明渠阻力分割计算关系式,在此基础上分析研究明渠中处于淹没状态下床面柔性植物对水流阻力的影响。采用多普勒流速仪测量边壁附近的流速,用间接法中的流速测量法测量边界上的切应力,用棕榈毛作为植物的模拟材料。以植物粗糙度表示植物阻力,用植物高度、密度的函数表示床面粗糙度,在植物高度和密度变化的情况下,进行水槽试验。经过对试验数据分析,发现植物粗糙度随植物高度、密度的增加而增加,且植物粗糙度越大时,在数值上越接近植物高度。拟合粗糙度与植物高度和密度的经验关系式,进而得出了植物阻力的计算式。     

淹没植物明渠床面冲淤及其对水流运动的影响

植物的存在改变了河流水动力特性,造成独特的床面冲淤态势。利用实验室水槽模拟含淹没植物的河道,对床面形态和紊流统计特性参数进行测量,研究不同类型紊流作用下的床面冲淤特征以及床面起伏对流动的影响。结果表明:床面剪切紊流条件下,床面形态为马蹄坑-沙沟/沙脊与沙波复合分布,床面变形加剧了流速沿水深不均匀分布并促进水流动量交换;在自由剪切混合层紊流条件下,床面形态为植物根部马蹄形冲坑及其后方沙沟、沙脊交错分布,床面变形对流动的影响并不显著;“类二重紊流”条件下,床面形态同样表现为马蹄坑-沙沟/沙脊-沙波复合,床面变形促进植物层内部的水流动量交换、抑制紊动清扫,抑制植物层外部的动量交换、促进紊动喷射。     

固壁紊流流速分布指数型公式和阻力规律——(Ⅰ)粗糙区

基于相似理论中的不完全自相似假设,研究了粗糙区紊流流速分布的结构形式,通过对尼库拉兹粗糙管水流试验资料的分析,进而给出了粗糙区紊流新的指数型流速分布公式,在此基础上,探讨了管道和明渠的阻力规律。     

冰盖下水流垂线流速分布规律研究

河道中冰盖显著改变了水流流动结构.采用k-ε紊流模型建立了冰盖下水流流动垂向二维数值模型;根据量纲分析理论提出了流速分布规律的影响因素;针对各种因素的不同组合进行了数值计算,并对其流动特性如最大流速点位置、冰区及床面区平均流速等进行了分析研究;对冬季封冻河道的二点测流法精度进行了理论分析.研究结果表明,冰盖下水流的纵向流速在流动核心区并不遵循对数分布规律,同时揭示了冰盖底部与河床的相对粗糙比、河床相对粗糙度及雷诺数对流速分布规律的影响.     

单向明渠流与波浪作用下植被对水沙运动影响研究综述

作为河、湖以及滨海湿地生态系统中必不可少的组成部分,水生植被具有重要的生态服务价值,且许多生态服务价值是通过改变水体动力条件实现的。含植被水流研究不仅可用于科学阐明水生植被的生态环境效应,还能指导河湖生态系统修复及污染治理的工程实践。本文考虑单向明渠流与波浪2种水动力环境,对国内外有关水生植被对水流结构以及泥沙运动影响研究的主要成果进行梳理。单向明渠流条件下,植被对水动力的影响研究主要集中于植被对水流阻力的影响以及冠层内水体的紊动结构与紊动尺度特征;波浪条件下,植被对波高与波浪流速的减弱作用以及冠层内水体的时均与紊动结构特征是研究重点。受水动力条件控制,植被影响下的泥沙运动特征也受到广泛关注,且研究焦点为单向明渠流条件下水生植被对泥沙起动与输移的影响以及波浪条件下植被对床底泥沙再悬浮的影响。     

塔里木河下游生态输水后植被景观格局动态变化研究

2000-2005年, 塔里木河流域管理局先后7次向塔里木河下游断流区进行了生态输水, 输水河道两岸的植被得到了一定的恢复. 以2000-2005的中巴资源卫星CCD影像为主要数据源, 获得了6 a的植被/非植被二值图, 并计算各年的景观格局指数, 分析了6 a植被景观格局的变化. 结果表明: 植被景观动态度在第四时段(2003-2004年)最大, 为47.83%; 在第三时段(2002-2003年)最小, 为-1.39%; 2000-2005年植被景观的动态变化呈正向趋势. 2000-2005年, 植被景观斑块个数与景观形状指数增加, 蔓延度指数下降了36.9, 斑块结合度指数均高于99, 表明研究区的植被景观破碎化程度、分离程度增加, 而景观类型联通性较高. 植被斑块面积均处于增加趋势且远离河道植被恢复率越小, 但植被景观的比重仍小于50%, 说明非植被类型是研究区的基质类型, 组成了景观的最大斑块. 针对缓冲区Zone 1, 植被景观的平均分维数处于减小趋势且2005年的斑块个数最小, 斑块结合度指数处于增加趋势, 表明近河道区域植被较为稳定, 受生态输水的干扰度较小, 植被景观斑块之间越来越聚集. 6 a间Zone 1的植被最大斑块指数均大于10%, 远高于其它5个缓冲带, 表明离河道越近植被景观的优势度最大.     

高棵水生植物的阻力系数在非淹没与淹没条件下的相互换算

通过模型试验测定了渠道中一种高棵、密集分布的植物,在淹没情况下的断面流度分布曲线及糙率和水深关系曲线;根据文献资料假设了植物区内的流速为均匀分布,并预测了非植物区内的流速分布,经过与实测值比较,符合较好;在这个断面流速分布的基础上,通过理论推导,得到了非淹没和淹没情况下糙率系数的换算关系;并给出了用植物模型在非淹没时的糙率系数~水深关系曲线延伸得到淹没时的糙率~水深关系曲线的实例,模型试验的结果也验证了这一换算关系。     

River functioning prior to the rise of land plants: A uniformitarian outlook

The study of geomorphic processes in barren landscapes, Precambrian and modern, has wide implications for planetary science. A long‐held status quo has been that, prior to the Palaeozoic evolution of vegetation, fluvial channels would have been invariably shallow, wide, braided in planform and flashier in discharge than vegetated ones. These assumptions are challenged through a threefold analysis of channel morphometry, discharge regimes and planform style. Measurements of modern and Proterozoic channel sections reveal overlapping morphometric ranges irrespective of climate and vegetation, pointing to shared scalar properties. Discharge regimes and planform styles inferred from Proterozoic records are akin to the spectrum observed in modern systems. Current criteria employed to identify meandering planforms are biased towards mud‐prone systems, and fail to address the sand‐rich nature of prevegetation alluvium. Vegetation forcing on river functioning cannot be entirely downplayed, although available data are construed towards an uniformitarian appraisal of pre‐Silurian fluvial dynamics.     

河流沉积学研究热点与进展--第11届国际河流沉积学大会综述

第11届国际河流沉积学大会于2017年7月17日-21日在加拿大卡尔加里大学举行,每四年举行一次的国际河流沉积学学术会议,吸引了当今北美、欧洲、澳洲及亚洲从事河流沉积学及相关学科研究的众多知名学者参会,研究成果充分体现了当前国际河流沉积学研究取得的重要进展和发展方向。重要进展有:1）河流动力学及其变化过程研究。其中包括将今论古法论现代河流沉积过程与古老地层对比,河道-洪泛平原体系的越岸复合沉积动力学,河流动力学与变化过程研究展望,恢复河道迁移过程:新一代平面图演化模式的讨论,冲积河流和基岩河流的湍流、颗粒间作用和沉积作用;2）陆缘河流。包括河流入海处的地貌动力学与沉积学,河流补给边缘的沉积物搬运、地貌和地层特征,干旱地区河流、冲积扇体系与风的相互作用,植被生长前、无植物生长、或是植被发育区河流的沉积过程研究;3）河流沉积地层及其地下资源。包括源-汇系统,"河流相模式"是否有用的讨论,辫状河、网状河、曲流河概念的厘定等;4）河流地貌变化。包括气候改变、泥泞植被洪泛平原等对河流沉积物通量、河流模式等产生影响,河道中冲积岛屿的演化和稳定河流的蛇曲化,河流环境中沉积物生物作用等。基于上述资料分析,认为河流演化过程从定性向定量化研究,物理模拟与数值模拟技术是河流沉积学研究不可或缺的手段,应用定量建模、数学计算等方法进行精准研究,碎屑锆石U-Pb定年技术是新一代从源到汇研究的重要工具等诸多方面,是我国学者应该重视并开展研究的方向。     

Role of vegetation in shaping Early Pennsylvanian braided rivers: Architecture of the Boss Point Formation,Atlantic Canada

Vegetation is a major driver of fluvial dynamics in modern rivers, but few facies models incorporate its influence. This article partially fills that gap by documenting the stratigraphy, architecture and palaeobotany of the Lower Pennsylvanian Boss Point Formation of Atlantic Canada, which contains some of the Earth's earliest accumulations of large woody debris. Braided‐fluvial systems occupied channel belts of varied scale within valleys several tens of metres deep and more than 12 km wide, and their deposits predominantly consist of sandy and gravelly bedforms with subordinate accretionary macroforms, high flow‐strength sand sheets and rippled abandonment facies. Discrete accumulations of clastic detritus and woody debris are up to 6 m thick and constitute at least 18% of the in‐channel deposits; they represent lags at the base of large and small channels, fills of minor channels and sandy macroforms that developed in central positions in the upper parts of channel fills. Sandstones with roots and other remnants of in situ vegetation demonstrate that vegetated islands were present, and the abundance of discrete channel fills suggests that the formation represents an anabranching, island‐braided sandbed river, the earliest example documented to date. Although some sphenopsid and lycopsid remains are present, most woody fragments are derived from cordaitalean trees, and the evolution of this group late in the Mississippian is inferred to have exerted a significant influence on fluvial morphodynamic patterns. The formation records a landscape in which active channel belts alternated with well‐drained floodplains colonized by dense, mature forests and local patches of pioneering, disturbance‐tolerant vegetation. Lakes and poorly drained floodplains dominated by carbonate and organic deposition, respectively, were also present. A large supply of woody debris triggered channel blockage and avulsion, and active channel margins and islands within the channel belts were initially colonized by pioneer vegetation and subsequently stabilized by large trees. A similar alternation of stable and unstable conditions is observed in modern braided rivers actively influenced by vegetation.     

黑河流域天然植被的面积变化研究

植被覆盖面积的大小是反映区域性生态环境状况的重要指标之一,多年植被覆盖面积的变化则直观反映了植被生态环境随时间的变化规律。在前人研究成果的基础上,采用定量遥感技术,应用美国国家航天航空局最新的全球植被指数变化研究数据(GIMMS)作为数据源,对黑河流域1989-2002年间的植被面积变化规律进行了研究。考虑到实际的植被面积难以确定,因此采用等效面积法确定植被覆盖面积,通过统计遥感图像上植被指数(NDVI)值大于0.3的像素点值,以像素点值代表植被的面积,研究黑河流域14 a的天然植被面积变化规律。研究结果证明,黑河流域的天然植被在以每年约3%的速度减少。     

Evaluating the relative contributions of vegetation and flooding in controlling channel widening: the case of the Nepean River,southeastern Australia

Many lowland stream channels have dramatically widened over the last two centuries. There has been considerable debate about whether this widening was caused by an unusually large flood, by a series of large floods, or by decreased bank stability caused by clearing of riparian vegetation. The relative effects of floods and vegetation can be disentangled in southeastern Australia where streams have undergone both clearing of bank vegetation, and decadal sequences of relatively higher and lower flood magnitude and frequency. Archival aerial photographs of the Nepean River, in southeastern Australia, suggest that banks did not erode during periods of low flood magnitude (drought-dominated regime: from 1901–1949) whether they were cleared or not. However, during periods of flood-dominated regime (1950 to 1970s) only cleared stream banks eroded. Thus, on the upper Nepean River, clearing alone was insufficient to trigger erosion by small floods, and even large floods were unable to erode vegetated banks. The conclusion is that substantial channel widening in this river required both clearing of bank vegetation, and periods of unusually large and frequent floods. This conclusion is supported by geomechanical modelling that examine the reduction in bank shear strength arising from the loss of tree-root reinforcement. The modelling also suggests that bank instability arising from devegetation amplifies the potential for bank failure during the drawdown phase of a flood, leading to channel widening.