植物河道的模拟技术与稳定河相关系研究
随着生态环境的恶化,人们环保意识的增强,以及我国可持续发展战略的提出,生态型河流的构建越来越受到人们的重视和推崇。生态型河流的发展,不仅满足了流水行洪这一最基本的工程作用,而且具有环保、美化景观的功效。
本文通过物理模型试验、理论分析和数值模拟等研究方法,揭示了河道植物群落对水流的作用机理、植物根系影响程度、河道泥沙运动规律和稳定河相关系,拓宽了前人对于植物河道的研究思路。
物理模型试验着重研究了植物根系对边滩坡面固土抗冲性的影响。试验植物选择了麦冬草、芦苇和蒿草三种天然植物,测取了水流、地形、根系形态和冲刷量,得到了根系发达、最大根面积比率大、分布深的植物对于滩坡的固土护岸作用大且范围广,土体抗冲刷能力强的结论。同时,还得出了根系的纵深分布一般公式。
为了揭示上述试验现象的本质,提出植物根系作用力表达式,对植物河道内的坡面泥沙起动流速、泥沙输移规律以及坡面地形调整进行了相应的理论推导,得到了考虑植物作用力因子在内的各项表达式。根据起动流速,提出了临界坡面,并推导了其计算关系。探讨了植物根系作用力因子的确定方法,指出了根系作用力因子和根系面积比率的关系。
借助有限差分和龙格库塔数值方法,利用MATLAB语言编写程序求解上述理论问题,并通过与试验数据对比验证了理论推导。临界坡面的求解结果显示了河道断面发展趋向稳定时的一个雏形。
仙农熵理论的引入,提供了除基于力学理论方法外的另一种解释河床演变规律的方法。利用这种方法,推导了考虑植物根系面积比率的河相关系动态调整公式,并通过物理模型试验验证了该公式的可行性。
本文还利用FLUENT软件,建立了简单的三维植物河道模型,分未淹没植物和淹没植物两种状况,初步模拟了河道滩地植物群落对流场的影响,模拟结果显示:在淹没状况下,“滩流回槽”现象较为突出,紊动强度和范围均较大。
植物根系;泥沙运动;数值模拟;河床演变
中国海洋大学
硕士
水力学及河流动力学
拾兵
2011
中文
TV142
89
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）