亚临界流条件下植被与河床粗糙度耦合效应及水流特性分析

《Scientific Reports》：Numerical analysis of hydrodynamic responses to bed roughness in vegetated open channels under subcritical flow conditions

　　

摘要

植被被广泛认为是有效的基于自然的洪水缓解措施，因为它能够增加水流的阻力并促进能量耗散。尽管许多研究分别探讨了植被引起的水流阻力以及河床粗糙度的影响，但在亚临界流动条件下植被与变化的河床粗糙度之间的耦合效应仍未得到充分理解。本研究采用了一种基于标准k-epsilon（k-ε）湍流模型的计算流体动力学（CFD）方法，来探讨植被覆盖的开阔渠道中的粗糙度-植被相互作用。该数值模型通过实验测得的顺流速度剖面进行了验证，在三种亚临界流动条件（弗劳德数（Fr）= 0.40、0.44和0.48）下，验证结果与实验室测量数据吻合良好（相关系数R = 0.91–0.96，均方根误差RMSE = 0.0152–0.0259）。验证完成后，该模型被应用于七种亚临界流动条件（Fr = 0.40–0.65）和四种不同的砂粒粗糙度高度（Ks = 0、7.22、14.32和24.47毫米），以评估它们对流速分布、湍流动能（TKE）、湍流涡动耗散（TED）和河床剪应力（BSS）的影响。研究结果表明，增加河床粗糙度会增强水流阻力，并显著改变植被覆盖渠道内的湍流特性。与平滑河床条件相比，最大流速降低了6%；根据验证后的速度场及相关k-ε湍流模型，湍流动能下降了31.4%，而在最高粗糙度高度（Ks = 24.47毫米）时，最大河床剪应力增加了70%。这些发现表明，河床粗糙度显著改变了植被控制的水流行为，为可持续基于自然的洪水缓解系统的设计和优化提供了新的见解。