综述：绿色基础设施组成和配置对流域径流调节的影响：一项全球元分析

《Journal of Hydro-environment Research》：Effects of green infrastructure composition and configuration on runoff regulation in watersheds: A global meta-analysis

大坝溃决流（DBF）中植被阻力对水力传播的影响研究，提出结合瞬态压力梯度的非均匀拖力模型，通过木圆柱模拟实验验证，模型在波高和波速预测中优于传统及非均匀模型，显著提升复杂流场中植被阻力模拟精度，为防洪策略优化提供工具。

　　研究团队Adel A. Mahmoud和Tatsuhiko Uchida针对如何准确预测坝破水流（DBF）这一问题展开了深入探讨。DBF的准确预测对于制定有效的防洪策略，保护下游社区至关重要。然而，目前很少有数值模型能够充分考虑植被对DBF的影响，尤其是在快速变化的非稳态流场条件下，对植被阻力的恰当评估仍是一个重大挑战。为了填补这一研究空白，本研究开发了一种新的阻力模型，将非稳态效应纳入由Uchida等人（2022）提出的非均匀阻力方程中，用于模拟通过植被的DBF。通过在水平水槽中进行实验研究，使用圆形木柱模拟不同配置的刚性、挺水植被，验证了该模型在多种DBF场景下的表现。实验结果表明，新模型在预测波高和波速方面表现出更高的准确性，优于现有模型，这些模型虽然能够有效捕捉波高或波速，但无法同时准确预测两者。这一进展为改善洪水风险评估和优化防洪策略提供了关键工具，尤其是在植被对流体动力学有显著影响的区域。

在水流阻力评估中，植被的作用不可忽视。它影响着水流特性、泥沙输移和整体水力行为。水流阻力通常通过阻力系数公式进行量化。尽管稳态开放渠道流的阻力评估方法已较为成熟，但非平衡、非稳态流的阻力研究却相对匮乏。这种流态在实际问题中十分常见，例如坝破水流（DBF）就是典型的例子。DBF类似于海啸波，它涉及大量水体的突然释放，造成洪水和破坏。因此，DBF的研究和预测受到许多研究人员的关注，他们通过实验和数值方法对DBF进行了广泛研究。这是因为DBF对下游社区具有毁灭性影响，可能导致财产损失和人员伤亡。一种准确的预测方法有助于开发合适的防洪策略。

在模拟DBF与植被相互作用时，数值模型至关重要，因为植被是河渠和淹没区域的主要阻力因素。同时，植被也被视为一种绿色基础设施，用于减弱这些剧烈水流的能量。虽然直接力方法能通过显式考虑单个植被元素的几何特性，更精确地表示植被效应，但这种方法需要极其精细的计算网格，计算成本高昂，更适合小尺度或高度局部化的模拟。此外，由于河流中植被的复杂形状难以测量，且无法完全通过计算网格表示，因此需要像湍流模型一样，采用子网格阻力模型。因此，许多研究人员依赖于使用参数化阻力系数的阻力方法来模拟植被效应。这些方法不需要精细的网格分辨率，计算效率更高，适用于大尺度模拟和实际现场应用。

植被可以根据其相对于水面的位置分为淹没、挺水或近挺水类型。同时，根据其刚度，可以分为刚性和柔性类型。即使对于简化后的挺水刚性圆柱体组，对平均阻力的适当估计仍然是一个挑战。研究者们已经对传统阻力模型中的阻力系数CD的变化进行了探索。此外，还研究了植被体积密度λ和茎雷诺数Re_p（由流速、茎直径和流体粘度定义）的综合影响。为了评估植被阻力，提出了使用植被水力半径（植被密度和直径的函数）的植被雷诺数Re_v。同时，研究了弗劳德数Fr对CD的影响。针对不同的植被配置，如交错（λ = 0.067，Case 1–4）和随机（λ = 0.1256，Case 5）等，已经开发了用于估计CD的方程。最近，Uchida等人（2022）提出了一种评估非均匀开放渠道流中植被阻力的方程，其中包含水面变化和压力梯度的影响。

为了评估植被对流体动力学的影响，研究者们还开发了数值模拟模型。Khoshkonesh等人（2022）使用了Flow-3D计算流体力学（CFD）包，模拟了通过阶梯渠道和刚性挺水植被的DBF。尽管之前的模型在没有植被的DBF场景中与实验数据表现出良好的一致性，但在模拟植被区域内的流体动力学时仍需进一步验证，尤其是在预测波速和能量耗散方面。Ginting等人（2025）引入了一种半隐式模型，用于模拟通过植被的DBF，结合了非均匀阻力方程。然而，他们得出结论，所使用的阻力模型需要改进，以考虑快速变化的非稳态流条件。Mahmoud等人（2025a和2025b）开发了一种数值模型，将Uchida等人（2022）提出的非均匀阻力公式纳入非静水准三维模型中，以分析刚性挺水植被对DBF的影响。根据与实验数据的比较，Mahmoud等人（2025a）发现该模型能够准确表示植被区外的波传播，并对植被区内的波高减少提供了合理的预测。然而，该模型在植被区内准确再现波速方面存在局限，这突显了在非稳态条件下模拟复杂流-植被相互作用的挑战。Mahmoud等人（2025b）也报告了他们的模型在准确表示植被效应方面存在局限。这些研究中的空白凸显了开发能够准确模拟植被区DBF的先进阻力模型的重要性。解决这些限制对于提高预测能力、推进植被环境中的防洪策略具有重要意义。

本研究的主要目标是开发一种能够准确预测DBF与刚性挺水植被相互作用复杂性的数值模型，弥补现有模型的不足，包括非均匀和传统阻力公式。为了实现这一目标，本研究将非稳态效应纳入非均匀开放渠道流的阻力模型中。新模型通过一系列实验验证，模拟了不同植被配置下的DBF。研究中选择挺水植被来模拟坝破后下游区域的DBF，因为在这些区域，由于床面摩擦造成的能量耗散，水流深度显著减少。因此，刚性挺水植被的条件在这些地区较为典型，尤其是在有高大、刚性植被（如芦苇和红树林）的区域。虽然模拟淹没植被也很重要，特别是在上游区域水流深度较大的情况下，但这是未来研究的方向。

选择交错的植被布置是为了与Uchida等人（2022）的研究保持一致，他们的非均匀阻力模型为我们的新非稳态阻力模型奠定了基础。研究还主要探讨了不同覆盖长度和密度的植被配置对DBF的影响，以验证模型在各种条件下的适用性。虽然本研究并未专注于植被特性本身，但强调了非均匀非稳态流条件下水动力条件对阻力模型性能的影响。然而，所选的植被配置确保了模型在代表DBF与刚性挺水植被相互作用方面具有适用性和准确性。此外，研究还旨在评估模型与其他现有方法的性能。

为了验证当前模型，研究团队在水平水槽中进行了实验。水槽为矩形，长度为15.78米，宽度为0.39米，深度为0.40米。水槽由混凝土建造，上游和下游端部均设有墙壁，以确保实验的准确性。为了模拟坝的破裂并启动DBF，研究团队在上游端部安装了一个可移动的钢闸门，厚度为3毫米。通过手动快速移除闸门，模拟了坝破过程。闸门开启时间通过安装在水槽上游端部的数码相机和位于闸门上游0.3米处的高分辨率（0.05毫米）伺服型波高计进行记录。为了确保手动操作闸门的重复性，研究团队在所有实验设置中对每个测量区域进行了三次重复运行。实验结果显示，闸门开启时间为0.20秒±0.033秒，满足Lauber和Hager（1998）提出的瞬时坝破标准。对于初始水深H0=0.30米和下游水深H1=0.02米的实验，研究团队记录了波高和波速的变化，以评估模型的性能。在本研究中，波高通过安装在水槽不同位置的波高计进行测量，以研究DBF通过植被区域的传播特性并验证模型。为了确保实验的准确性，研究团队在不同的植被配置下使用了两种不同的流量，以避免测量误差并选择正确的阻力系数。此外，研究团队还进行了稳态流动实验，以获得非均匀开放渠道流阻力模型的阻力系数。

研究团队采用浅水方程模型，该模型在之前的研究中被用于模拟无植被的坝破流（2DC，二维计算）。在本研究中，将植被的阻力项引入动量方程中。该模型包含深度积分的连续性方程和水平动量方程。动量方程中的阻力项考虑了植被对水流的影响。通过比较实验数据和计算结果，研究团队验证了模型的准确性，并确认了不同植被配置下的阻力系数。实验结果显示，对于不同的植被配置，所选的阻力系数在减少水深的均方根误差（RMSE）方面表现良好。

研究团队还探讨了非均匀和传统阻力模型在模拟DBF中的性能。对于Case 3（L=3.0米，λ=0.067），研究团队比较了不同阻力系数下的波高和波速的变化。结果表明，传统阻力模型虽然能够准确表示波高，但未能准确预测波速。而非均匀阻力模型在预测波高方面表现良好，但在波速方面存在局限。这表明，当前模型在模拟DBF与植被的相互作用时，无法同时准确预测波高和波速。

为了改进模型，研究团队开发了一种新的非稳态阻力模型，该模型考虑了由于压力梯度引起的非稳态效应。该模型通过调整系数C，优化了波前到达时间的预测。实验结果显示，非稳态阻力模型在预测波高和波速方面表现优于传统和非均匀模型。然而，模型在预测某些区域的波高时仍存在偏差，特别是在植被区域的下游部分。这表明，尽管模型在预测波速方面有所改进，但在波高预测方面仍需进一步优化。此外，模型在模拟长植被区域（Case 4）的波速时表现出一定的局限性，这可能与模型对非稳态效应的处理有关。未来的研究需要进一步探讨这些方面，以提高模型的准确性。

总之，本研究通过实验和数值模拟相结合的方法，探讨了DBF与刚性挺水植被的相互作用，并开发了一种新的非稳态阻力模型。该模型在预测波高和波速方面表现出色，弥补了现有模型的不足。尽管模型在某些方面仍存在局限性，但其改进为洪水风险评估和防洪策略的制定提供了重要的工具。这一进展有助于提高对植被区域DBF的理解，并为改善洪水管理提供支持。