植被流中的流动分离现象与有效粗糙度高度

《Journal of Hydro-environment Research》：Flow separation and effective roughness height in vegetated flow

植被渠道水流阻力修正模型研究，提出参数ξ优化达西-魏斯巴赫摩擦系数和曼宁-斯特里克勒公式，实验室与综合数据验证显示等效粗糙度高度预测R2达0.986，修正后公式在植被形态复杂条件下R2提升至0.952，揭示集体尾流效应主导阻力机制，为生态修复与水利工程提供理论支撑。

　　在自然水体中，植被的存在对水流动力学产生了深远的影响，尤其是在水流阻力的计算方面。传统模型往往忽略了植被引起的流体分离效应，导致在预测水流速度和粗糙度时存在较大偏差。为了解决这一问题，本文提出了一种新的水流阻力修正参数ξ，用于改进达西-魏斯巴赫摩擦因子f和曼宁-斯特里克勒（MS）公式，从而建立一个更精确的阻力计算框架。通过实验室实验和对植被水流的全面数据集进行验证，研究结果表明，该修正参数显著提高了等效粗糙度高度的预测能力，达到了R2为0.986的高精度水平。在将该修正参数整合到MS公式中后，其预测水流速度剖面的R2提升至0.867。在大尺度粗糙度条件下，经过优化的MS公式表现出更出色的预测效果，R2值达到0.952。此外，等效粗糙度高度与无量纲植被参数之间存在二次关系，这表明水流阻力主要由植被群体的尾流相互作用所主导，而非单个茎秆的阻力效应。这些发现不仅为水工工程、水流调控和生态修复提供了科学依据，还对理解和管理植被水道的复杂水力行为具有重要意义。

随着人类活动和气候变化的加剧，极端天气事件如风暴、干旱和洪水的频率和强度正在上升，每年造成数十亿美元的经济损失。这些变化进一步加剧了生态系统的脆弱性，影响了关键的生态功能，如水质调节、洪水缓解和生物多样性保护。恢复河岸和水体中的植被是增强生态系统韧性、调控水文流动和促进生物多样性的关键策略之一。水下植被区，作为水生生态系统中常被忽视的一部分，代表了一种关键但研究较少的湿地类型。与广阔的水域相比，水下植被区在生态过程中发挥着重要作用，它们不仅为生物提供繁殖和觅食的栖息地，还增强了生态系统的稳定性。然而，这些水下植被区的生态重要性也使其受到复杂的水动力和生物力学过程的影响，如根系和茎秆的物理特性变化、水流湍流以及对河床的剪切应力。水下植被的存在改变了水流动力学，通过增加水流粗糙度、引起流体分离并降低流速，增强了垂直混合并促进了沉积物的沉积。这些过程不仅调控了沉积物的输移，还对营养物质和污染物的滞留与分布产生重要影响，尤其是在植被生长和衰败的周期中。

水下植被的动态变化还受到人类活动和气候变化驱动的水文变化的进一步复杂化，这对生态系统管理提出了严峻挑战。如图1所示，水下植被显著影响了水生生态系统中的水动力条件和生物地球化学循环。近年来，研究者们开发了多种模型，用于模拟水下植被生长、水动力学、沉积物动力学和营养循环之间的相互作用，揭示了其中复杂的反馈机制。同时，将水下植被运动纳入水动力学模型的研究也表明，植被的柔性在塑造水流动力学和沉积物输移过程中具有重要作用。尽管这些研究取得了一定进展，但水下植被与水动力学和生物地球化学过程之间复杂的相互作用机制仍不完全清楚。解决这些不确定性对于制定基于科学的策略，以增强生态系统韧性并确保在不断变化的气候和人类活动背景下实现水生环境的可持续管理至关重要。

在植被覆盖的水道中，水流的复杂性远高于无植被的固定床水流，这主要是由于植被引入了多尺度的粗糙度效应，从而改变了水流结构、湍流动力学和动量交换。在无植被的水道中，沉积物粒径可以有效地代表边界粗糙度，如Nikuradse（1933）在沙粒粗糙管道研究中的开创性工作所示。然而，在植被覆盖的水道中，仅依靠沉积物粒径无法充分描述水流阻力的复杂性。植被的粗糙度由植被的高度、茎秆间距和茎秆直径等植被特异性参数决定，这些参数单独使用不足以全面捕捉水流阻力的特征。Kouwen等人（1969）早期的研究表明，平均流速与剪切流速之间的比值与水流深度与植被高度的比值呈对数关系，这一发现与粗糙管道中的流速分布具有相似性。基于这些经验观察，Gioia和Bombardelli（2001）从湍流现象学出发，推导出表面层中平均流速的幂律缩放关系，为水流特性与湍流和粗糙度的物理过程之间的直接联系提供了理论框架。Cheng（2011）提出了一个方程，将等效粗糙度高度与水流阻力参数联系起来，为水流阻力的计算提供了新的思路。

近年来，研究者们进一步拓展了这些理论基础，采用了经验方法和数值模拟相结合的方式。Cui等人（2023）和Nikora等人（2013）引入了四层流速叠加模型，该模型考虑了植被密度和水动力学参数，如阻力系数和偏转冠层高度，以更准确地预测水流阻力。Kumar等人（2024）通过数值模拟进一步阐明了植被形态如何影响湍流结构，强调了植被引起的流体分离、能量耗散和沉积物输移之间的复杂相互作用。这些过程不仅对水流阻力的计算至关重要，还为周围植被的扩展和迁移创造了有利条件。总体而言，这些研究突显了植被引起的粗糙度、水动力阻力和湍流之间的复杂相互作用，强调了建立多尺度框架的必要性，以更全面地捕捉植被水道水流的动态特征，并对其生态和工程意义进行深入探讨。

因此，理解植被引起的流体分离如何影响等效粗糙度高度，对于推进植被与水流相互作用的研究具有重要意义。本文提出了一种新的粗糙度模型，能够有效捕捉流体分离的复杂动态及其与植被特征的耦合关系。本研究的结构如下：第二部分介绍了理论基础和研究方法；第三部分概述了数据来源、预处理步骤、数据集设计和评估指标；第四部分展示了研究结果的分析，特别是修正参数ξ在粗糙度和速度预测中的应用；第五部分总结了本研究的结论。通过解决这些复杂性，本研究旨在优化理论框架，并为将基于自然的解决方案（NbS）整合到河流管理和生态修复中奠定坚实的基础。

为了开发这一修正参数，研究者们在实验数据的采集和分析方面投入了大量精力。实验在玻璃墙循环水槽中进行，该水槽的尺寸为10米长、1米宽、1米深，床面坡度为0.1%。水槽系统配备了两台大容量离心泵和两台辅助小容量离心泵，以确保最大流量达到370立方米/小时，并且体积重复性误差控制在±0.5%以内。进水部分采用了1米×1米的模块化能量耗散矩阵，以模拟自然水道中植被覆盖的复杂水力条件。通过采集不同植被密度、高度和水力条件下的实验数据，研究者们能够更全面地了解水流阻力的形成机制。这些数据不仅为模型的构建提供了基础，也为验证修正参数的有效性提供了关键支持。

在模型的构建过程中，研究者们引入了多个参数，以确保模型能够准确反映植被水流场的关键特征。然而，这种高参数化的模型在实际应用中也面临挑战，因为某些参数在野外实验中难以直接测量，或在实际工程中难以准确确定。为了克服这一问题，研究者们采用了一种迭代最小二乘优化方法，通过调整模型参数，使模型的预测结果与实验数据之间的残差最小化。这种优化方法不仅提高了模型的预测能力，还增强了其在不同条件下的适用性。通过MATLAB的lsqcurvefit函数，研究者们实现了对模型参数的精确调整，从而提高了模型的鲁棒性和准确性。

在应用修正参数ξ的过程中，研究者们系统地评估了所提出的模型的预测能力和稳定性。通过将ξ应用于不同的水力条件和植被特征，研究者们发现该参数能够显著改善等效粗糙度高度和水流速度剖面的预测效果。特别是在大尺度粗糙度条件下，修正后的MS公式表现出更高的预测精度，其R2值达到0.952。这一结果表明，修正参数ξ在不同尺度的水流阻力计算中均具有良好的适应性，能够有效捕捉植被对水流动力学的影响。此外，等效粗糙度高度与无量纲植被参数之间的二次关系进一步支持了植被群体尾流相互作用在水流阻力形成中的主导作用。这一发现不仅丰富了水流阻力理论，还为植被水流的工程应用提供了新的视角。

本研究的结论表明，通过将流体分离效应纳入等效粗糙度高度的计算框架中，可以更准确地预测植被覆盖水道中的水流阻力和速度。这一改进后的MS模型在预测水流阻力的非线性特征方面表现出色，相较于传统模型具有更高的预测能力。研究的主要发现包括：植被覆盖的水流中存在显著的流体分离效应，这一效应对等效粗糙度高度的计算具有重要影响；修正参数ξ的引入有效提高了模型的预测精度，特别是在大尺度粗糙度条件下；等效粗糙度高度与无量纲植被参数之间存在二次关系，表明水流阻力主要由植被群体的尾流相互作用决定，而非单个茎秆的阻力效应。这些结论不仅为水工工程和生态修复提供了科学支持，还为未来的研究和应用指明了方向。

本研究的成果对于水工工程和生态修复领域具有重要的实际意义。在水工工程中，准确预测水流阻力和速度剖面对于设计和优化水道结构至关重要。传统的模型往往无法充分考虑植被引起的流体分离效应，导致在实际应用中出现较大的误差。通过引入修正参数ξ，本研究提出的模型能够更精确地模拟植被覆盖水道中的水流行为，为工程设计和水流调控提供了新的工具和方法。在生态修复方面，理解植被对水流阻力的影响有助于制定更有效的恢复策略，以促进生态系统的稳定性和生物多样性。例如，在湿地恢复和河流生态修复项目中，准确评估植被对水流的调控作用可以优化植被布局，提高水流的自然调节能力，同时减少侵蚀和沉积物输移的负面影响。

此外，本研究的成果还对未来的科研和工程实践具有指导意义。通过揭示植被引起的流体分离效应与等效粗糙度高度之间的关系，研究者们可以更深入地理解植被与水流之间的相互作用机制。这种理解不仅有助于完善现有的水流阻力理论，还为开发新的模型和方法提供了理论依据。同时，修正参数ξ的引入也为多尺度水动力学模型的构建提供了新的思路，使模型能够更全面地捕捉植被水流的复杂特征。在实际应用中，这些模型可以用于模拟不同植被密度和高度下的水流行为，从而为生态管理和工程设计提供科学支持。

最后，本研究的成果为将基于自然的解决方案（NbS）应用于河流管理和生态修复提供了新的视角。NbS强调通过利用自然生态系统的功能来解决环境问题，而植被覆盖的水道正是实现这一目标的重要载体。通过准确预测植被对水流的调控作用，研究者们可以更好地设计和实施NbS项目，以增强水道的生态功能和工程性能。例如，在洪水管理中，植被覆盖的水道可以通过增加水流阻力来减少洪峰流量，从而降低洪水风险。在水质管理中，植被可以促进垂直混合，提高污染物的滞留和降解能力。在生态修复中，植被的恢复不仅可以改善水道的生态功能，还可以促进生物多样性的恢复和维持。

综上所述，本研究通过引入修正参数ξ，显著提高了植被覆盖水道中水流阻力和速度的预测精度。这一改进后的模型不仅适用于实验室条件，还能够广泛应用于实际水道系统。通过揭示植被引起的流体分离效应与等效粗糙度高度之间的关系，研究者们为理解植被水流的复杂动力学提供了新的理论框架。这些发现对于水工工程、生态修复和基于自然的解决方案的实施具有重要的科学和实践价值。未来的研究可以进一步探索植被形态和水力条件之间的相互作用，以及不同植被类型对水流阻力的影响，从而为更全面的水道管理和生态保护提供支持。