張英豪,賴錫軍,唐彩紅

(1. 聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,山東 聊城 252000；2. 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；3. 華北電力大學(xué)水利與水電工程學(xué)院,北京 102206)

含植被水沙運(yùn)動研究緣起于水生植被對洪水的影響。由于水生植被的存在增加了水流阻力,降低了河道行洪能力,水生植物被大量移除[1]。然而,水生植被具有重要的生態(tài)服務(wù)價(jià)值,使其成為淡水以及濱海生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。首先,水生植物為生態(tài)系統(tǒng)中其他生物提供食物來源,且通過吸收二氧化碳并釋放氧氣,是濕地生態(tài)系統(tǒng)中固碳的主要方式[2]；其次,通過營造弱水動力環(huán)境,水生植物為一些魚類以及大型底棲生物提供了多變的棲息環(huán)境[3]；再次,水生植物可以吸收水體中過剩的營養(yǎng)鹽,能夠改善水質(zhì)[4]；最后,通過減流削浪,水生植物還能夠起到保護(hù)岸坡以及減少侵蝕的作用[5]。因此,如何在發(fā)揮水生植被生態(tài)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)上保障河湖的行洪安全與輸水能力,使得含植被水沙運(yùn)動研究受到廣泛關(guān)注[6]。含植被水沙運(yùn)動研究不僅能夠?yàn)楹拥佬泻槟芰υO(shè)計(jì)、河湖水質(zhì)凈化以及生態(tài)修復(fù)、洲灘濕地演化等提供科學(xué)依據(jù),具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,還對水生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)以及紊流力學(xué)等具有重要的基礎(chǔ)理論意義。

含植被水沙運(yùn)動研究可追溯于20世紀(jì)30年代,最初主要探討單向明渠水流條件下植生河道的水流阻力問題；20世紀(jì)70年代起,隨著先進(jìn)測試手段的應(yīng)用,如聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)、激光多普勒測速儀(LDV)和粒子成像速度測量儀(PIV)等,獲取水體高頻三維脈動流速成為可能,含植被水流結(jié)構(gòu)(尤其是水體紊動結(jié)構(gòu))的相關(guān)研究大量涌現(xiàn)。21世紀(jì)以來,單向明渠流條件下植被對水流結(jié)構(gòu)的影響研究取得顯著成就；受水動力條件控制,植被內(nèi)的泥沙運(yùn)動規(guī)律也被大量野外以及實(shí)驗(yàn)室研究所揭示。此外,波浪作為濱海以及內(nèi)陸湖泊表層水體的又一種運(yùn)動形式,波浪條件下植被對水沙運(yùn)動影響的機(jī)理研究也逐漸受到廣泛關(guān)注。含植被水沙運(yùn)動研究已有的綜述文章主要聚焦于單向明渠流條件下水生植被對水流結(jié)構(gòu)的影響[7- 9],缺少單向明渠流條件下植被對泥沙運(yùn)動影響以及波浪條件下植被對水沙運(yùn)動影響規(guī)律的總結(jié)與概述。本文綜述了單向明渠流以及波浪條件下水生植被對水沙運(yùn)動影響的主要規(guī)律,并對今后的研究趨勢進(jìn)行展望。

1 水生植被對水動力的影響研究

1.1 單向明渠水流條件

1.1.1 水流阻力

水生植被對水流阻力的影響是含植物水沙運(yùn)動研究中起步最早且歷史最為悠久的部分。植被對水流阻力的影響通常采用曼寧糙率系數(shù)(n)進(jìn)行表征,且受植被參數(shù)(形態(tài)、高度、柔韌度、分布密度、分布方式等)以及水流條件(流速、水深、相對淹沒度等)的影響,不同植被對n值影響差異較大。

根據(jù)柔韌度,可將水生植物分為剛性植物(在水流條件下處于相對靜止?fàn)顟B(tài))與柔性植物(在水流條件下植株隨水流會發(fā)生擺動)。剛性植物主要包括木本植物,如生長于河川泛洪區(qū)的高大喬木和分布于濱海濕地的紅樹林,以及禾本植物,如廣泛分布于淡水河湖與鹽堿濕地的蘆葦。這類植物由于其高剛度的特質(zhì),一旦受水流沖擊,將受到比柔性植物更為強(qiáng)大的沖擊力,提供更大的水流阻力。實(shí)驗(yàn)室水槽研究中,通常將剛性植被簡化為圓柱體,進(jìn)而對其阻力進(jìn)行估算[10- 11]。柔性植物在水流條件下能夠發(fā)生擺動,一般指一些草本植物,如生長于淡水中的金魚藻、苦草,以及生長于濱海濕地的大葉藻與日本鰻草等。單向明渠流作用下,柔性植被發(fā)生彎曲而呈現(xiàn)流線形,使得植被對水流的阻力較剛性植被相比明顯減小,且隨著植被柔性增加,植被高度(hv)與水深(h)之比逐漸減小,植被面積占整個斷面的比例逐漸減小,n值隨植被柔性的增加而減小[12- 13]。

相對淹沒度是影響水流阻力的另一重要因素。水生植被根據(jù)其淹沒度可分為非淹沒植被與淹沒植被:前者指hv>h的植被,如位于潮侵淺灘地的鹽藻植被以及生長于低潮位的海草冠層；后者h(yuǎn)v

此外,Green[17]提出,植被對水流的阻力主要取決于河道中植被的空間分布。通過建立3種植被阻水因子(河道橫斷面植被面積占比、水面上植被面積占比以及植被體積占比),Green[17]發(fā)現(xiàn)植被阻水因子與n值間具有很好的線性關(guān)系。近些年,學(xué)者們還基于含植物明渠流體微元方法提出了含植物河道總曼寧系數(shù)[18],考慮局部植物分布導(dǎo)致的植物區(qū)與無植物區(qū)二次流影響的等效曼寧系數(shù)[19],以及漫灘植物復(fù)式河道的等效曼寧系數(shù)[20],這些均可用于描述不同植被分布形態(tài)下的植物阻力特征。

1.1.2 水流結(jié)構(gòu)

紊流作為自然水體物質(zhì)輸運(yùn)的基本動力,其結(jié)構(gòu)特征直接影響著水體中物質(zhì)的循環(huán)過程。水生植物的存在能夠?qū)⑺鞯钠骄鶆幽苻D(zhuǎn)化為紊動能,改變水體的紊動結(jié)構(gòu)。含植物水流紊動結(jié)構(gòu)研究對闡明水生植物生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的物理機(jī)制具有重要意義。

水流流經(jīng)冠層時(shí),水體在植株莖稈周圍發(fā)生繞流,在莖稈后方可導(dǎo)致尾渦產(chǎn)生,形成尾流紊動(圖1(a))。冠層內(nèi)尾流紊動的產(chǎn)生取決于莖稈雷諾數(shù)(Red=Uν/d,U為冠層內(nèi)時(shí)均流速,ν為水動力黏性系數(shù),d為莖稈直徑):當(dāng)Red>120時(shí),莖稈周圍有尾流紊動產(chǎn)生；當(dāng)Red<120時(shí),無尾流紊動產(chǎn)生[21]。非淹沒條件下,全水深范圍內(nèi)水體紊動以尾流紊動為主,且冠層內(nèi)水體紊動能(turbulent kinetic energy,TKE)為時(shí)均流速、植被密度(m)以及植株形態(tài)參數(shù)的函數(shù)[22]。冠層內(nèi)尾流紊動的尺度(lt)取決于植株莖稈直徑(d)與相鄰莖稈間距(S)[22],被稱為莖稈尺度紊動。尾流紊動的存在可增加水體紊動能,但冠層的存在減小了時(shí)均流速。因此,冠層內(nèi)紊動能水平隨植被密度增加的變化主要取決于冠層內(nèi)由時(shí)均流速減小引起的動能減小與由尾流紊動產(chǎn)生而引起的紊動能增加兩者之間的相對大小,即隨著植被密度的持續(xù)增加,冠層內(nèi)紊動能水平較無植被條件相比,出現(xiàn)先增加后減小的變化特征[16,23- 24]。

淹沒條件下,水體的水流結(jié)構(gòu)與植被密度密切相關(guān)。當(dāng)植被密度較小時(shí),時(shí)均流速分布遵循紊動邊界層剖面(對數(shù)剖面,圖1(a)),且由于尾流紊動的產(chǎn)生,冠層內(nèi)水體紊動能較無植被條件下增加[25]。隨著植被密度增加,當(dāng)冠層粗糙密度λf>0.1時(shí)(λf=ahv,a為冠層阻流面積)[26- 27],植被對水流的阻力使得時(shí)均流速剖面在冠頂附近(z≈hv)出現(xiàn)拐點(diǎn)(圖1(b)和圖1(c)),流速剖面與自由剪切層類似[28- 30]。時(shí)均流速剖面中拐點(diǎn)的出現(xiàn),在植被頂部附近產(chǎn)生剪切紊動,且剪切紊動的紊動尺度與植被高度相當(dāng),被稱為冠層尺度紊動(圖1(b))。這種形式的紊動可影響自冠層頂部向下一定深度范圍內(nèi)(穿透深度,用δ表示)水體的紊動,并控制著植被冠層內(nèi)部與其上覆水體的物質(zhì)交換。Nepf和Vivoni[31]根據(jù)δ將冠層內(nèi)部分為兩部分:① 在不受剪切紊動影響的冠層底部(z

圖1 不同植被密度條件下的水流時(shí)均以及紊動結(jié)構(gòu)[9]

天然條件下,植被形態(tài)存在較大差異,不同形態(tài)的植被對水流結(jié)構(gòu)的影響不同。通常,植被形態(tài)通過冠層阻流面積(a=md)以及體積分?jǐn)?shù)(φ=mπd2/4)進(jìn)行表征。非淹沒條件下以及淹沒條件下的冠層底部(水平交換區(qū)),由于水體雷諾切應(yīng)力較小,水體時(shí)均流速與a呈反比[32- 33]。因此,對于葉基生的水生植物(如苦草等),由于植物葉分支位置以下a逐漸減小,使得時(shí)均流速在冠層內(nèi)近床底處出現(xiàn)局部最大值[34- 35]；相反,有些植物呈藤蔓狀,葉片在全水深范圍內(nèi)分布均勻(a(z)=C,C為一常數(shù)),冠層內(nèi)時(shí)均流速在全水深范圍內(nèi)也呈均勻分布[36- 37]。此外,天然狀態(tài)下植被分布面積有限,往往呈斑塊狀[38]。水流流經(jīng)植被斑塊后,水流結(jié)構(gòu)在斑塊上游邊緣以及兩側(cè)發(fā)生調(diào)整(圖2),斑塊邊緣與內(nèi)部的水流結(jié)構(gòu)存在差異。淹沒狀態(tài)下,受植被阻力的影響,水流在進(jìn)入植被斑塊的開始階段流速逐漸減小,剪切紊動在冠頂處逐漸發(fā)展(如圖2(a)中紅色圓圈所示),并在斑塊內(nèi)距上游邊界一定距離處(X)達(dá)到穩(wěn)定[39]；在植被斑塊兩側(cè),植被區(qū)與無植被區(qū)的流速差異也可導(dǎo)致剪切紊動的產(chǎn)生(如圖2(b)中紅色圓圈所示),并影響斑塊側(cè)向物質(zhì)的交換過程[40- 41]。Nepf等[27]指出,剪切紊動的垂向與側(cè)向穿透深度(δ)以及植被斑塊邊緣處水流結(jié)構(gòu)的調(diào)整長度(X)與冠層阻流面積成反比,即δ∝(CDa)-1與X∝(CDa)-1(CD為阻力系數(shù))。植被斑塊的存在,不僅影響斑塊內(nèi)部的水流結(jié)構(gòu),還改變著斑塊周邊水體的時(shí)均以及紊動結(jié)構(gòu)。如圖3所示,當(dāng)水流遇到植被斑塊后,受植被阻力影響,斑塊內(nèi)水體流速減小,斑塊兩側(cè)流速增加；而在緊靠斑塊的下游區(qū)域,水體時(shí)均流速與紊動能均減小,形成“遮蔽區(qū)”[42- 48]。

圖2 水流結(jié)構(gòu)在植被斑塊上游以及側(cè)向邊緣的調(diào)整[39,41]

圖3 植被斑塊周圍的水流結(jié)構(gòu)[43]

1.2 波浪條件

波浪是區(qū)別于單向明渠流的又一種常見的水體運(yùn)動形式,在濱海地區(qū)、內(nèi)陸湖泊以及水庫的表層水體,通常受到波浪的影響。目前,國內(nèi)外關(guān)于植被與波浪相互作用的研究主要關(guān)注植被引起的波能衰減和植被對水流結(jié)構(gòu)的影響。

1.2.1 波能衰減

水生植被對波能的減弱作用主要包括植被對波高以及波浪流速的影響。大量研究結(jié)果均表明,植被的存在能夠有效減小波高,且水體與植物間的相對運(yùn)動決定了波浪在冠層內(nèi)的衰減程度[49- 51]。因此,植物對波高減弱作用的定量研究,關(guān)鍵在于如何確定植株與波浪間的相對運(yùn)動。對于此,不同學(xué)者給出了不同的方法。例如,Mendez等[49]采用葉片偏移量(Ab,葉片軌道運(yùn)動半徑,圖4)來刻畫植物在波浪中的運(yùn)動幅度,并認(rèn)為葉片偏移量隨葉片高度呈線性增加,從而得出植株與水體間的相對運(yùn)動速度；Bradley和Houser[51]通過記錄海草葉片頂部的運(yùn)動,并采用懸臂模型將葉片頂部的偏移量演變?yōu)檎麄€葉片的偏移量,從而有效刻畫植株在波浪中的運(yùn)動；Mullarney和Henderson[52]利用線性梁理論,建立了波浪作用下單株鹽沼植物的動力模型；Luhar等[53]則采用有效葉片高度(產(chǎn)生相同波能衰減量條件下的剛性葉片高度)定量評價(jià)了柔性葉片對波高的減弱作用。植被對波浪流速的減弱作用首次被Lowe等[54]研究。采用剛性模型植被,Lowe等[54]建立了植被影響下冠層內(nèi)部波浪軌道流速模型,并指出冠層內(nèi)波浪流速的減弱程度與植被形態(tài)參數(shù)(如株高、株間距等)以及波浪參數(shù)(如波浪軌道偏移量(Aw,水質(zhì)點(diǎn)軌道運(yùn)動半徑,圖4))有關(guān),且當(dāng)Aw/S>1時(shí),水生植被能夠有效減小波浪流速。

圖4 波浪作用下柔性植物葉片隨水體擺動軌跡[54]

由于許多環(huán)境下水體運(yùn)動受到波浪與水流的共同作用,一些學(xué)者對波浪- 水流共存場條件下水生植被對波高的減弱作用也開展了初步探究。Li和Yan[55]以及Hu等[56]以剛性植被為研究對象,分別采用三維RANS模型以及實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與波浪條件相比,波- 流共存場條件下水生植物對波高的減弱作用加強(qiáng)。Paul等[57]以柔性模型植被為研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn),卻得出相反的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即水流與波浪的疊加減弱了植物的消波作用。此后,Losada等[58]采用真實(shí)植被開展水槽實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)水流方向與波浪傳播方向一致時(shí),與波浪條件相比,水流的疊加使得植被的消波作用加強(qiáng)；相反,當(dāng)水流方向與波浪傳播方向相反時(shí),植被的消波作用減弱。同時(shí),考慮到水流能夠?qū)е轮脖话l(fā)生傾伏,Losada等[58]以冠層傾伏高度代替冠層高度,為波- 流共存場條件下水生植被對波高削減作用的定量計(jì)算提供了一種新的方法。

1.2.2 水流結(jié)構(gòu)

目前,波浪條件下植被對水流結(jié)構(gòu)的影響研究受到忽視,研究成果較少。已有研究主要集中于冠層內(nèi)波生流的出現(xiàn)以及冠層內(nèi)的紊動特性。

Luhar等[59]以柔性模型植被為研究對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)冠層內(nèi)部存在與波浪傳播方向一致的定向水流(波生流,圖4),并建立模型對冠層內(nèi)水體的水深平均流速進(jìn)行預(yù)測。Luhar等[60]又通過野外測量對其實(shí)驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。此外,Abdolahpour等[61]從拉格朗日坐標(biāo)系的視角出發(fā),得出冠層內(nèi)定向水流最大值的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。van Rooijen等[62]通過實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了淹沒條件下冠層內(nèi)時(shí)均流速的垂線分布,發(fā)現(xiàn)波浪雷諾應(yīng)力梯度是冠層內(nèi)波生流出現(xiàn)的主要驅(qū)動力,且雷諾應(yīng)力梯度的出現(xiàn)與植被頂部波浪軌道運(yùn)動所產(chǎn)生的漩渦有關(guān)。

波浪作用下,植物莖稈周圍也有尾流紊動產(chǎn)生。Sumer[63]指出,植株莖稈周圍尾流紊動的出現(xiàn)受KC數(shù)(Keulegan-Carpenternumber,且KC=UmaxT/d,其中Umax為水質(zhì)點(diǎn)軌道運(yùn)動速度最大值,T為波浪周期)控制:當(dāng)KC<6時(shí),莖稈周圍無尾流紊動產(chǎn)生；當(dāng)KC>6時(shí),有尾流紊動產(chǎn)生,且紊動影響范圍隨KC數(shù)增加而增加。Pujol等[64]利用在靜水中振動?xùn)鸥竦姆椒óa(chǎn)生波浪,發(fā)現(xiàn)剛性植被與柔性植被的存在均能夠減小冠層內(nèi)水體紊動能,且減弱程度隨植株莖稈直徑的減小以及植株密度的增加而逐漸增大。Pujol和Nepf[65]研究了破波條件下植物對紊動能的影響,指出由于植物可使波高降低,與無植物條件下相比,冠層在破波后對紊動能的減弱較強(qiáng),但冠層內(nèi)近床底處的紊動能卻為無植物條件下的2倍,冠層內(nèi)紊動能的增加主要是由于植株產(chǎn)生的尾流紊動。Pujol等[66]以及Ros等[67]研究了小波高條件下剛性和柔性植物對紊動的影響,發(fā)現(xiàn)剛性植物可增加水體紊動能,而柔性植物卻降低了水體紊動能。Zhang等[68]認(rèn)為,植被的存在能否增加冠層內(nèi)部水體紊動能主要取決于Aw/S:當(dāng)Aw/S<0.5時(shí),冠層內(nèi)部紊動能水平與無植物條件相當(dāng),冠層的存在沒有顯著增加水體紊動能；當(dāng)Aw/S>0.5時(shí),近床底紊動能顯著增加,且植被內(nèi)紊動能的大小可通過波浪流速、植株密度以及植被形態(tài)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

2 水生植被對泥沙運(yùn)動的影響研究

通過改變水動力結(jié)構(gòu)(尤其是水體紊動結(jié)構(gòu)),水生植被對泥沙運(yùn)動產(chǎn)生影響。含植被水體的泥沙運(yùn)動特性研究主要聚焦于水生植被對泥沙侵蝕以及沉降的影響。

2.1 單向明渠流條件

單向明渠流條件下,水生植被的存在雖然減小了冠層內(nèi)的時(shí)均流速,但植株存在可能導(dǎo)致尾流紊動產(chǎn)生,進(jìn)而影響泥沙侵蝕/沉降過程。Liu和Nepf[21]指出:當(dāng)冠層內(nèi)尾流紊動存在時(shí)(Red>120),冠層內(nèi)泥沙沉積量減少,床底泥沙發(fā)生侵蝕；相反,當(dāng)冠層內(nèi)無尾流紊動產(chǎn)生(Red<120)時(shí),冠層內(nèi)泥沙沉積量增加。Follett和Nepf[42]發(fā)現(xiàn)冠層內(nèi)尾流紊動的大小與泥沙凈侵蝕量成正比。由于尾流紊動的存在而導(dǎo)致冠層內(nèi)泥沙發(fā)生侵蝕的現(xiàn)象也為其他實(shí)驗(yàn)室研究[43- 44,69]以及野外研究[45]所發(fā)現(xiàn)。

傳統(tǒng)而言,無植被河道中泥沙起動的臨界流速可通過床面剪切應(yīng)力(τ)進(jìn)行表征[70]。然而,植生河道中植被的存在導(dǎo)致尾流紊動的產(chǎn)生,基于床面剪切應(yīng)力對冠層內(nèi)泥沙的起動與輸移進(jìn)行預(yù)測往往產(chǎn)生較大偏差[71- 74]。近些年,一些研究指出,與τ相比,近床底水體紊動能(TKE)能夠?qū)Υ驳啄嗌尺\(yùn)動進(jìn)行更好的預(yù)測[72- 74]。例如,Yang等[72]以及Yang和Nepf[73]指出,隨著植被密度的增加,冠層內(nèi)尾流紊動增加,導(dǎo)致冠層內(nèi)泥沙起動的臨界流速逐漸減小,床面輸沙率逐漸增大。通過綜合考慮床面以及植被產(chǎn)生的紊動,Yang等[72]以及Yang和Nepf[73]提出近床面水體總紊動能的計(jì)算方法,且新的紊動能能夠?qū)o植被以及有植被條件下床底泥沙起動的臨界流速以及推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行較好的預(yù)測。Shan等[75]研究了河道中植被的斑塊分布對推移質(zhì)輸沙率的影響,指出河道平均輸沙率隨河道中植株總數(shù)以及斑塊分布直徑的減小而減小,且通過建立河道床底平均紊動能模型,對床面平均輸沙率進(jìn)行了預(yù)測。

植被的存在不僅改變了冠層內(nèi)部泥沙的沉降與再懸浮格局,也影響著斑塊周邊區(qū)域泥沙的運(yùn)動狀況。正如1.1.2節(jié)所述,當(dāng)水生植被成斑塊狀分布時(shí),斑塊兩側(cè)水體流速增加,局部泥沙發(fā)生侵蝕[45- 48]；而在緊靠斑塊下游區(qū)域的“遮蔽區(qū)”(圖3),水體時(shí)均流速與紊動能均減小,泥沙沉積量增加[42- 43]。由于泥沙中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì),十分有利于植物生長,植被斑塊后方泥沙沉積量的增加可促進(jìn)植被斑塊沿水流方向擴(kuò)展。實(shí)際上,一些野外研究[76- 79]也發(fā)現(xiàn)了這種特征,即天然條件下植被主要沿水流方向呈流線形向下游延伸。

2.2 波浪條件

波浪作用下,植物莖稈周圍的尾流紊動也影響著冠層內(nèi)泥沙的再懸浮過程。Tinoco和Coco[80]采用剛性模型植被進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn),指出植物與波浪相互作用下產(chǎn)生的尾流紊動是冠層內(nèi)泥沙再懸浮的主要驅(qū)動因素,與無植被條件下相比,尾流紊動的產(chǎn)生可增加冠層內(nèi)泥沙再懸浮量。Tang等[81]指出,由于尾流紊動的存在,植被冠層內(nèi)懸浮泥沙起動的臨界流速隨著植株密度的增加而逐漸減小。然而,大量野外實(shí)驗(yàn)卻得出相反的結(jié)果,即水生植被的存在可有效降低床底泥沙再懸浮量。例如,Zhu等[82]以太湖為研究區(qū),發(fā)現(xiàn)與無植被區(qū)相比,水生植物可使床底泥沙再懸浮量降低84%；Gacia和Duarte[83]以及Granata等[84]也指出,與無植被條件下相比,海草冠層的存在可使泥沙再懸浮量降低24%～70%。這2種相反結(jié)果反映了植被在2種尺度上的影響:① 冠層尺度,植被與波浪的相互作用可減弱波能[50,53]；② 植株尺度,植被與波浪的相互作用可產(chǎn)生尾流紊動[68,80]。野外條件下,植被區(qū)通常長達(dá)幾十米至幾百米,在這種尺度下,植被可大大降低波能,從而減小冠層內(nèi)泥沙再懸浮量；然而,在相同波浪條件下的實(shí)驗(yàn)室水槽中,植被區(qū)長度通常為幾米,這種尺度下,植被對波能的減弱作用較小,使得冠層內(nèi)尾流紊動居主導(dǎo)地位,從而增加植被內(nèi)泥沙再懸浮量。此外,Zhang和Nepf[85]通過水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),水生植被可通過影響床底沙波的形成對懸浮泥沙運(yùn)動產(chǎn)生影響:當(dāng)AwS時(shí),植被的存在阻礙了沙波的形成,冠層內(nèi)懸浮泥沙含量較無植被條件減少。

3 結(jié)論及展望

含植被水流研究已取得巨大進(jìn)展,尤其是近20年,國內(nèi)外大量研究揭示了單向明渠流條件下植被內(nèi)水體的紊動特征,為今后研究植被內(nèi)部的物質(zhì)傳輸?shù)於嘶A(chǔ)；隨著紊流研究的開展,水生植被對泥沙運(yùn)動的影響機(jī)制也逐漸被揭示。通過對國內(nèi)外已有研究進(jìn)行綜述,今后含植被水沙運(yùn)動研究應(yīng)關(guān)注以下問題:

(1) 波浪條件下植被對水體紊動結(jié)構(gòu)的影響。水生植被與波浪的相互作用使得冠層內(nèi)部出現(xiàn)波生流,進(jìn)而影響冠層內(nèi)的物質(zhì)輸移。然而,冠層內(nèi)波生流大小的定量預(yù)測(其與波浪參數(shù)、植被密度、形態(tài)以及柔性等的關(guān)系)以及波生流對冠層內(nèi)紊動尺度與強(qiáng)度的影響,目前國內(nèi)外研究較少。

(2) 水生植被對泥沙運(yùn)動影響的定量研究。床底泥沙運(yùn)動不僅與近床面的水體紊動有關(guān),還受泥沙粒徑影響。因此,含植被水流中泥沙運(yùn)動(如起動的臨界流速、推移質(zhì)輸沙率、泥沙沉降等)的預(yù)測,還應(yīng)納入泥沙粒徑因素,以提高預(yù)測的適用性。此外,波浪作用下床底泥沙再懸浮量可嘗試通過近床底紊動能進(jìn)行表征,并結(jié)合現(xiàn)有的紊動能模型,建立泥沙再懸浮量與植被參數(shù)、水流參數(shù)以及泥沙粒徑間的定量關(guān)系,研究可為淺水湖泊底泥營養(yǎng)鹽釋放的定量預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

(3) 冠層尺度下植被對水沙運(yùn)動影響的定量研究。目前,含植被水沙運(yùn)動研究大多從小尺度水動力學(xué)角度出發(fā),研究植被- 水流- 泥沙相互作用機(jī)制。今后應(yīng)多從冠層尺度出發(fā),充分考慮植被區(qū)水流結(jié)構(gòu)的空間差異,定量研究植被區(qū)對水沙運(yùn)動的影響,如植被覆蓋條件下行洪流量的計(jì)算、洪水過程中洲灘濕地的沖淤格局以及泥沙淤積厚度的預(yù)測等。