《Hydrology》：Hydrodynamic-Ecological Synergistic Effects of Interleaved Jetties: A CFD Study Based on a 180° Bend
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本文通过计算流体动力学（CFD）模拟，系统研究了180°弯道中交错布置丁坝对水流结构、河床剪切应力、湍流动能（TKE）及生态效应的协同影响。研究采用RNG k-ε湍流模型，对比无丁坝、单侧丁坝及交错丁坝三种配置，发现交错丁坝能显著平衡弯道横向水位梯度，抑制河道横向迁移，并通过多尺度湍流涡旋促进底质分选和栖息地异质性形成。成果为生态友好型丁坝设计提供了理论依据和工程参考。
引言
在全球气候变化与人类活动双重压力下，提升水工结构的生态功能已成为流域可持续管理的关键方向。传统丁坝设计主要关注护岸与防洪，而当前需求还需兼顾河流生态系统修复。本文通过计算流体动力学（CFD）数值模拟，系统研究180°弯道中交错布置丁坝的水动力与生态协同效应。
数值模型
研究基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程，采用RNG k-ε湍流模型模拟弯道湍流。控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程，其中湍流粘度通过湍流动能（k）及其耗散率（ε）的输运方程求解。模型通过网格独立性验证和壁面函数处理，确保计算精度。物理实验在可调坡水槽中进行，通过声学多普勒流速仪（ADV）测量流速，验证数值模型的可靠性。
条件设计与模型验证
研究设计了四种工况：无丁坝、单侧丁坝、三座交错丁坝和五座交错丁坝。网格采用非结构化六面体单元，局部加密至5毫米，以捕捉丁坝头部的涡旋结构。模型边界条件与实验严格对应，入口为速度入口，出口为压力出口，壁面采用无滑移条件。通过对比不同网格分辨率与湍流模型（标准k-ε、Realizable k-ε和RNG k-ε），确定RNG k-ε模型在模拟弯道复杂流动时精度最高，误差比标准k-ε模型低一个数量级。
结果分析
自由水面形态
丁坝布置显著改变了弯道横向水位分布。交错丁坝通过收缩主流，降低凹岸与凸岸的水位差，抑制河道横向迁移。随着丁坝数量增加，上游水位上升，下游水位下降，纵向水面线波动加剧。丁坝头部形成局部壅水区，下游则出现跌落区，整体水面梯度趋于平缓。
流线与涡旋结构
交错丁坝使主流向河道中心集中，形成明显的高流速带。丁坝头部产生高速射流，后方形成大尺度回流区。凹岸丁坝诱导的螺旋流强度显著高于凸岸，而丁坝间距减小会增强相邻丁坝间的干扰，形成交错扰动的流线。多尺度涡旋结构促进能量耗散，并创造多样化的水动力环境。
近底流速与剪切应力
近底流速和床面剪切应力在丁坝头部显著升高，中心区域剪切应力可达自然状态的2.3倍。高速带与高剪切应力区空间耦合，促进主流区底质粗化，提高抗冲性。丁坝后方低剪切应力区（τ < 0.01 Pa）则利于细颗粒沉积，形成点坝。
近底湍流动能
湍流动能（TKE）分布在丁坝头部出现高强度斑块，空间异质性显著。TKE的概率密度分布呈现右偏特征，表明流动间歇性增强。在相对水深60%处存在临界高度，此处涡旋发育最充分，TKE偏度系数达到峰值，成为动能从平均流向湍流运动转换的关键界面。
概率密度分布与偏度统计
流速、TKE和湍流耗散率（ε）的概率密度分布均显示，交错丁坝工况下分布峰度降低，双侧尾部延伸，反映流动结构更趋复杂。偏度系数分析表明，近底区域流速呈负偏，而TKE和ε在临界高度以上偏度逐渐减弱，体现能量从床面向水面传递的衰减过程。
讨论
交错丁坝通过水动力-泥沙-生态的耦合作用，平衡了弯道横向水位梯度，增强了主流输沙能力，并创造了高速与低速相间的栖息地环境。但丁坝间距过小可能导致主流区冲刷加剧，需在工程设计中优化。此外，TKE的空间分异对底栖生物群落组装具有双重影响：高TKE区促进扩散限制，低TKE区强化生态位选择。
结论
交错丁坝在180°弯道中能有效调控水流结构，抑制河道迁移，并通过多尺度湍流促进生态多样性。研究揭示了临界水深界面在能量转换中的关键作用，为生态丁坝设计提供了新理论依据。未来需结合生态指标，量化丁坝参数对栖息地功能的影响。
