柔性水生植被尾流调控下沉积床形态的动力机制研究

研究人员针对水生环境中沉积物侵蚀控制的关键问题，通过实验探究了不同结构长宽比（AR）和流速下柔性水生植被叶片对三维尾流及沉积床形态的调控机制。结合表面扫描仪和层析粒子图像测速技术，揭示了叶片变形与近床流速增强的关联性，建立了剪切应力量化模型，为河床生态修复提供了理论支撑。

　　

水生生态系统中，沉积物侵蚀直接影响生物栖息地稳定性和营养物质循环。尽管刚性障碍物尾流与沉积作用的研究已较充分，但柔性水生植被（如海草）在流动中的动态变形如何影响沉积床形态，仍是未解之谜。这类植被通过变形改变拖曳力系数，进而调控尾流结构，但其与沉积物输运的耦合机制缺乏定量描述。现有研究多聚焦刚性结构或忽略植被形态变化，导致生态工程中植被配置缺乏精准理论指导。

为填补这一空白，Dhanush Bhamitipadi Suresh团队在《Water Science and Engineering》发表研究，通过水槽实验结合三维流场测量技术，系统分析了柔性叶片尾流对沉积床的 sculpting（雕刻）作用。研究采用表面扫描仪量化床形变化，层析粒子图像测速（PIV）捕捉三维尾流特征，并引入柯西数（C_a）关联叶片变形与流体动力参数。

3.1 沉积床形态特征

通过扫描仪获取的床形数据表明，叶片两侧对称发育冲刷坑，其轮廓符合正弦波规律。当长宽比A_R从15降至5时，冲刷体积（Q_s/b³）增加36%，而A_R>10后形态变化趋缓，说明高长宽比叶片对近床流动影响趋弱。

3.2 尾流动力学机制

PIV数据显示，低变形叶片（C_a<10）产生强流速增强区（Δ|U|_b/|U|_inc,b达50%），源于两个机制：一是直立姿态更有效偏转水流，二是近床流向涡（ω_x）促进高低动量流体混合。而高C_a叶片因上洗流抬升，削弱了近床动能输入。

3.4 量化模型构建

基于柯西数建立的剪切应力模型（式13）成功预测了冲刷面积（A_s∝τ^1.65）和体积（Q_s∝(τA_s)^1.5），其中τ^*综合了流速、叶片刚度和几何参数的影响。

该研究首次揭示了柔性植被变形程度与沉积侵蚀的定量关系，为生态护岸工程设计提供了关键参数。通过关联流体-结构-沉积物多物理场过程，模型可优化植被布局以平衡侵蚀防护与生态功能。未来研究可拓展至群体植被效应和多粒径沉积物场景，进一步推动河流生态修复理论的完善。