中国水土保持学会 青托项目成果：水土流失治理应用中植被阻水机制研究
近日，由中国水土保持学会扶持，中国科协青年人才托举工程入选者，发表于Water Resources Research杂志上的最新论文成果表明：在恒定非均匀流情况下，植被拖曳力系数沿程随雷诺数呈现非单调的变化，且变化趋势与水流的非均匀性和植被柔韧性有关。该成果对于水土流失治理应用中植被水流阻力机制的研究具有重要意义。
论文第一作者为硕士生张勇刚，通讯作者为北京林业大学水土保持学院王平副教授，王平老师是德国洪堡学者，入选第五届中国科协青年人才托举工程、北京林业大学杰出青年人才培育计划等。
1 引言
植被广泛分布于河岸、湿地和河道中，在水生态系统中发挥着至关重要的作用。受下垫面条件和土壤入渗等因素的影响，水流通过植被群时，沿程水力要素发生变化，表现为明显的非均匀流特征。例如在黄土高原沟道侵蚀治理中，柔性植物坝对水流和泥沙具有阻滞作用，水流通过植物坝时往往表现为非均匀流。但是目前对植被非均匀流的阻力机制认识还不深入，尤其是对非均匀流情况下植被弯曲变形所产生的阻力重组效应的理解还很粗浅。
本研究通过室内水槽实验和植物材料力学实验，结合圣维南方程（SVE），建立了非均匀流中柔性植被群拖曳力系数公式，发现了密集柔性植被非均匀流中阻流效应和遮蔽效应的作用特征，揭示了水流的非均匀性和植被柔韧性对沿程阻力变化的影响，阐明了非均匀流条件下柔性植被阻力重组作用机制。
2 研究方法
实验在北京林业大学水土保持学院水力学实验室的长直玻璃水槽中进行。实验采用聚丙烯仿真水草来模拟柔性植被，通过万能力学试验机测定植被弹性模量，开展了多种植被密度工况的实验。通过实验测量得到沿程水面线。
对于恒定非均匀流，采用局部均匀流的假定对流体进行受力分析，得到柔性植被拖曳力和能坡的关系式。最后，求解受力方程得到柔性植被拖曳力系数Cdf公式。
3 结果与讨论
3.1非均匀水面线变化
采用二次函数形式的水面线模型来模拟实测水面线，通过回归分析来确定拟合参数。从图中可看出所用模型能很好地模拟水面线。将该水面线模型的数学表达式代入Cdf便可求得不同植被密度下拖曳力系数表达式。
3.2 Cdf流向分布
Cdf沿程表现为先增后减的非单调变化趋势。分析植被拖曳力系数公式可知，这种变化趋势主要是由于公式中水流能坡项和驱动项的所乘积产生，即是水流的非均匀性引起的。研究表明水流的非均匀性越强，Cdf的非单调特性越明显。
Cdf随雷诺数显示为类似抛物线型的图案。在植被区中部，阻碍效应增大了Cdf；而对于植被区的前缘和尾部，遮蔽效应能够显著减小植被阻力。
3.3 柯西系数CYS分析αb
柯西系数能够将水流的驱动力项和植被恢复力项联系起来，因此运用来分析植被阻力重组因子。通过与他人提出的柔性植被阻力公式和实验数据进行比对，进一步提出了非均匀条件下柔性植被群阻力随弹性模量变化的经验公式。
4 结论
本研究发现Cdf随着雷诺数的增加，呈现出先增大后减小的非单调变化，水流的非均匀性是引起这种变化的主要因素。非均匀流情况下，阻碍效应和遮蔽效应同时存在于植被区内，这是水流的非均匀性和植被阻力重组共同作用的结果。
文章来源：
Zhang, Y., Wang, P.*, Cheng, J., Wang, W.‐J., Zeng, L., Wang, B. (2020). Drag coefficient of emergent flexible vegetation in steady nonuniform flow. Water Resources Research, 56, e2020WR027613. https://doi.org/ 10.1029/2020WR027613.