关于以深槽为主的复合渠道中植被覆盖的溢岸流流动结构及湍流特性的实验研究（该渠道具有双层泛滥平原）

《Ocean Engineering》：Experimental study on flow structure and turbulence characteristics of vegetated overbank flow in deep-trough-dominated compound channels with double-layer floodplains

　　• 本研究揭示了不同植被排列方式对深槽主导的复合渠道中漫滩流结构及湍流特性的调节机制，这些渠道具有双层泛滥平原。• 零星分布的植被安排可将河床积分动量厚度降低多达37.5%，并显著抑制峰值横向速度梯度，这有利于河床稳定和防蚀。• 杂乱分布的植被在泛滥平原产生最强的局部流动阻力，在低流量时速度降低了48.1%，同时伴有强烈的雷诺应力和高湍流能量（TKE），有助于沉积物沉积。• 通过变异系数（covariance coefficient）的定量评估表明，零星分布的植被排列方式实现了最均匀的流体动力分布，而杂乱分布的植被排列方式在湍流耗散方面表现最佳，为河流生态恢复提供了直接的选择依据。

引言
复合渠道是冲积河流中常见的河道形态之一，其地貌演化主要受主河道与泛滥平原之间的水-沉积物交换的支配（Fu等人，2024；Liu等人，2025；Quan等人，2025）。这种交换是横截面地貌演化的关键驱动力。植被作为泛滥平原上广泛分布的关键调节因素，通过改变泛滥平原的粗糙度和湍流结构显著影响这一交换过程（Dufour等人，2019）。这种调节作用对于维持河流形态稳定性、保护生物多样性和提高河流健康至关重要（Vargas-Luna等人，2018；Suresh等人，2023）。在天然河流中，泛滥平原植被通过增加泛滥平原表面粗糙度、降低近床流速和增强局部湍流，显著改变主河道与泛滥平原之间的动量交换和沉积物分配（Huai等人，2021；Sun等人，2024；Zhang等人，2024；Chen等人，2026）。近年来，基于植被的河流生态恢复已成为国际水力学研究的热点，但这种方法尽管增强了地貌稳定性，却显著降低了河流的输水能力（Dean等人，2024；Malothu等人，2025；Xu等人，2026；Wang等人，2026）。在漫滩洪水期间，泛滥平原植被对水体和沉积物的输送以及河床演变具有重要影响。通过增加局部流动阻力，植被改变了横截面速度分布和湍流结构，从而调节了床面剪切应力的重新分配，进而影响沉积物的挟带、输送和沉积（Liu等人，2024；Errico等人，2018）。因此，系统研究植被对复杂横截面形态下流特性的影响，特别是速度剖面和湍流结构的分布模式，对于水力参数设计、沉积物运输模型以及河流生态恢复策略的优化具有重要的理论和工程价值（Kedir等人，2024；Koyuncu等人，2024；Li等人，2024）。

先前的研究表明，泛滥平原的粗糙度特征和流量比都可以驱动河床形态的变化。数值模拟被用来模拟泛滥平原粗糙度对河道内三维速度场及其相关地形的影响。研究发现，泛滥平原粗糙度减少了主河道与漫滩流之间的相互作用，同时增强了河道中次级流的强度（Wormleaton等人，2005，2010）。相反，泛滥平原粗糙度的增加会导致湍流强度增强。最大湍流强度的位置从主河道-泛滥平原界面转移到泛滥平原区域，其大小和位置与植被排列密度、相对植被高度和流速密切相关（Wilson和Horritt，2002；Zhu等人，2006；Li等人，2007；Hui和Jiang，2011；Liu等人，2024）。同时，密集植被对近表面流动的偏转随相对流深的不同而变化。在相对较高的水深下，密集植被倾向于引导近表面流动更紧密地跟随河道中心线。此外，植被种类、茎干直径以及枝叶的分布模式共同改变了植被带内的流动结构，导致复杂的流体动力过程（Aberle和J?rvel?，2013；Artini等人，2024；Bao等人，2024；Liu等人，2024；Meng等人，2024）。直河道与蜿蜒河道之间的流动动态存在显著差异。考虑植被效应的槽实验表明，随着弗劳德数（Froude number）的增加，湍流动能和次级流的强度都会增加。此外，由流动湍流各向异性引起的次级流促进了水面附近的横向输送（Nezu和Onitsuka，2001）。研究人员发现，与光滑开阔河道中的湍流不同，植被覆盖下的流动中垂直阻力表现出不连续的分布（Ghisalberti和Nepf，2002）。在植被冠层顶部附近的时间平均速度剖面上会出现一个拐点。受速度剖面拐点不稳定性的影响，在水面附近形成了水平涡旋结构。这种涡旋结构的强度随着弗劳德数和植被密度的增加而增强（Zhang和Hu，2023；Chen等人，2024；Li等人，2025）。这种涡旋结构的生成、演化和耗散是导致速度和湍流特性垂直分布不均匀以及沿流向显著变化的关键因素。此外，泛滥平原植被对主河道中的流速也有显著影响。泛滥平原上的植被抑制了主河道与漫滩流之间的动量交换，导致泛滥平原中的流速相对较低。此外，泛滥平原上的双层刚性植被导致交替出现出露和淹没流动状态（Rao等人，2022）。在蜿蜒的复合河道中，次级循环和沿流向速度分布主要取决于河道曲率和横截面形态（Shiono等人，1999；Khatua等人，2011；Moncho-Esteve等人，2018）。引入柔性植被后，由于其弯曲和流线型特性，这两个参数不仅影响河道-泛滥平原界面的交换机制，还显著调节了不同流动条件下的植被ized河道的流动结构（Chung和Koseff，2021）。密集植被增强了次级循环，泛滥平原植被影响了蜿蜒河道中漫滩流与主河道之间次级流涡旋的垂直发展（Huang等人，2019）。此外，物理和数值模型实验表明，泛滥平原上的植被密度对低坡度和高曲率河段的泛滥平原交换流量衰减具有更显著的影响。在泛滥平原植被存在的条件下，漫滩流下的沉积物输送量大于满岸流下的输送量。不同淹没条件下的植被斑块对床面侵蚀率也有不同的影响。在清水条件下（无沉积物供应），植被高度可以抑制尾流区的沉积物沉积（Huai等人，2009）。与位于河口沙洲顶部的植被相比，位于低潮河道附近的植被在改变河流形态、偏转流动方向和改变床面高程分布的统计特性方面发挥着更重要的作用（Gu和Liu，2018）。尽管高度动态的冲积河道表现出复合横截面特征，但其地貌特征与现有研究中记录的典型复合断面有显著不同（Wang等人，2020；Singh等人，2023）。以塔里木河上游的蜿蜒河段为例，其横截面形态呈现出一种新型的对称复合河道，特征是深槽主导的主河道和双层泛滥平原结构（由低倾斜泛滥平原和高海拔平行泛滥平原组成）（Chen等人，2025）。其垂直速度剖面存在双重拐点现象。随着相对流深的增加，主河道中的垂直速度剖面经历了三个阶段的演变：底部剪切层、中间均匀层和上部受次级流影响的层（Chen等人，2026）。总之，现有研究已经获得了关于复合河道中植被流动的丰富成果。然而，大多数研究集中在单阶段泛滥平原或矩形横截面上，特别关注植被密度、淹没比或植被类型对速度剖面和湍流强度的影响。对于以深槽主导的主河道和双层泛滥平原为特征的新型对称复合河道而言，双层地形本身可以产生双重剪切层和双重拐点速度剖面。植被排列模式如何与这种特定地形耦合以调节流动结构、湍流各向异性和动量交换仍不甚明了。基于此，本研究探讨了以下三个方面：（1）不同植被排列方式如何改变双层泛滥平原复合河道中主河道与泛滥平原之间的动量交换路径；（2）双层泛滥平原地形和植被排列模式对湍流动能和雷诺应力的垂直和横向分布以及相干涡旋结构特征频率和能量衰减的综合影响；（3）引入变异系数来定量评估三种植被排列方式之间流体动力参数的空间均匀性，并提出有利于河床稳定和沉积物沉积的最佳植被布局原则。本研究同时考虑了双层泛滥平原复合河道中的地形效应和植被排列效应，分析了它们对流动结构、湍流各向异性和动量交换的综合影响，并利用变异系数定量评估了三种植被排列方式的流体动力性能。目的是为生态恢复、流动调节和复合河道的工程优化设计提供理论基础和技术支持。

实验设置
实验使用了新疆农业大学水利工程安全与灾害防治重点实验室的复合槽模型（图1a和b）。在现有实验室空间和水源供应能力的限制下，同时确保测量截面上游的流动充分发展且大致均匀，以消除入口效应，该槽模型的长度为12米，宽度为0.8米。图4显示了在不同流量（15 L/s、19 L/s和23 L/s）下，三种植被排列方式下主河道中的时间平均纵向速度分布以及靠近河床和水面的积分动量厚度（见表4）。结果表明，随着流量的增加，受植被影响的主河道中深度平均纵向速度的垂直剖面总体相似，没有明显变化趋势。

不同横截面形态下植被对流动特性的影响
在传统研究单阶段泛滥平原或矩形横截面的研究中，Meng等人（2025）和Aishwarya等人（2025）研究了淹没植被流动，发现只存在单拐点速度剖面，剪切层仅出现在植被冠层顶部。然而，在本实验中，植被处于出露状态，因此流动没有在植被顶部形成淹没冠层剪切层。

结论
本研究选择了一种以深槽主导结构及双层泛滥平原为特征的复合河道作为研究对象。通过实验室实验，研究了三种植被排列方式在不同流量条件下对复合河道中流场分布和湍流特性的影响。引入变异系数作为评估指标，以评估不同植被排列方式的流体动力性能。

作者贡献声明
Xiaoying Zhang：撰写-审稿与编辑、验证、监督、资源提供。
Yu Chen：撰写-原始草稿、可视化、软件使用、方法论、数据分析、概念化。
Lingkai Zhang：监督、资源提供、项目管理和资金获取。
Wenbo Zhang：数据分析。

数据可获取性
支持本研究结果的数据可向相应作者申请获取。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了自治区“天山人才”培训计划青年人才项目（2023TSYCJU0007）的财政支持。