挺水植被影响下滞水区滞留时间预测模型

对于河道修复工程,为了增加河流地貌多样性,常会沿岸布置一些丁坝形成回流区(也称作滞水区)。滞水区的低速环流特点有利于泥沙落淤、营养质积累,为水生植物提供了适宜的生长环境,同时影响着河道内的物质输移扩散过程,对河流生态系统有着重要意义。采用量纲分析与遗传算法研究了挺水植被影响下滞水区滞留时间特性。对于植被化滞水区,影响水体滞留时间的因素可以归纳为三类,包括混合层流动特性、滞水区形貌特征以及植被拖曳作用。首先在前人工作基础上,应用π定理引入了能够反映植被阻滞效应的参数1+C_(D)ad_(c),对于无植被情形1+C_(D)ad_(c)=1,表明物质交换不受该因素影响,而对于有植被情形1+C_(D)ad_(c)>1,表明交换活动会受到影响。其次通过分析比较,筛选了其他影响滞留时间的主控因素,包括体现来流强度的主流傅汝德数Fr,以及体现滞水区形貌特征的三维形状因子(Wdc)0.5/L和宽长比W/L。然后以上述四种因素为自变量,构建了植被化滞水区滞留时间的一般性预测模型(即幂函数乘积模型)。最后基于收集的85组试验数据,采用遗传程序Eureqa对该幂函数乘积模型进行训练,拟合了植被化滞水区的滞留时间预测公式。对判定系数R2与平均绝对误差MAE的评价表明该公式具有较好的预测能力;对各因素变化区间的分析表明该公式具有较宽广的适用范围。此外,通过比较这4种因素对模型结果的作用程度,发现宽长比W/L是影响滞水区水体滞留特性的关键参数,在开展相关工程设计时应予以重点考虑。

挺水植被布局对矩形浅池水体流态的影响

研究浅池水体流态水力学特性有助于优化景观池塘、湖泊和湿地等设计,提高水体连通性,改善流态。挺水植被与景观水体结合不仅能提高景观美学性,而且具有改善水体连通性的作用。本文采用2维浅水数值模拟,探索了植被覆盖变化下的水流沿中轴线槽道进入和推出矩形浅池的水体流态特性,并进行了基于水力特性的定量分析。研究发现:植被具有均化浅池水体流速和稳定流动的作用,非对称流态转变为对称流态;当植被密度≥5m^(–1)时,两侧分离回流区完全消失,水体连通性最佳,形成平推流。基于场景模拟后发现,紧邻入口植被局部覆盖能达到浅池植被全覆盖的改善流态的效果;进一步分析表明,浅池流态与中轴线流速及流速梯度分布相关。表征水体流通性的流通水体占比与表征水流调整的无量纲平均流速梯度存在显著的对数相关,提出的预测模型可用于矩形浅池类景观的水力设计。

人工湿地两种挺水植被净化生活污水效果研究

人工湿地中挺水植被对生活污水的净化效果尚未完全揭示,以黄花鸢尾(Iris pseudacorus)和美人蕉(Canna indica)2种常见的挺水植被组建的潜流式人工湿地为研究对象,以无植被的人工湿地为对照,比较研究了人工湿地的植被对生活污水中总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4-N)、化学耗氧量(COD)的去除效果。结果表明:有植被的人工湿地和无植被的人工湿地对生活污水TN、TP、NH4-N、COD均有明显的去除效果,并且以COD的去除效果最好,NH4-N、TN、TP的去除效果次之;有植被的人工湿地对TN、TP、NH4-N、COD的去除作用明显高于无植被的人工湿地,二者的去除率随人工湿地时期变化其总趋势保持一致,均在人工湿地的稳定期最高,稳定期以后逐渐下降并趋于平稳,对TN、NH4-N、COD的去除率随人工湿地时期的变化呈单峰曲线,而对TP的去除率随时期的变化呈先平稳后下降趋势;综合比较,人工湿地的挺水植被能有效促进湿地对污染物的去除效果,但是不同植物之间去除效果存在一定的差异,美人蕉的去除效果明显高于黄花鸢尾,二者对TN、TP、NH4-N、COD去除贡献率分别为40.37%、39.08%、42.75%、41.93%和26.06%、30.56%、30.38%、31.86%。

斧头湖挺水植被的群落学研究——Ⅱ.莲群落Com. Nelumbo nucifera的结构

本文从物种结构、水平结构和垂直结构三方面结合其时间特征对湖北省斧头湖莲群落的结构进行了分析,结果表明:①莲群落物种组成复杂,生长型类型多样,是一多优群落,挺水、浮水和沉水三个植被层都很发达;②莲群落中明显地表现出了优势种的替代过程,沉水植被层中菹草、黑藻和金鱼藻的替代尤为明显,各物种的个体生态学习性的差异是造成这种现象的主要原因;③莲群落内部表现出不同物种的种群分布在水平方向上的分化,莲的叶片和花果均表现出群聚分布的式样,是一种形态学格局;④莲群落垂直结构复杂,一般存在三个植被层,不同植被层的变化各有其特征。

挺水植被弯曲变形对水流阻力的影响研究

为研究挺水植被在水流作用下发生的弯曲变形对水流阻力影响,通过明渠水槽实验对不同水流条件下单株挺水植被的弯曲变形状态及其水流阻力进行了观测分析。研究结果表明,挺水植被从完全直立转变为挺水弯曲摇摆状态时,水流阻力随着植被弯曲变形程度加剧而增加;当植被由挺水状态转为淹没状态时,水流阻力显著降低;当植被处于弯曲摇摆的淹没状态时,水流阻力同样会随着植被弯曲变形程度的加剧而增加;但是,当植被的弯曲变形增加到使得植被处于完全倒伏时,水流阻力反而会减少。研究成果有助于平衡河流生态治理与汛期泄洪的关系。

格子Boltzmann方法在含挺水植被河道水流数值模拟中的应用研究

河道中水生植物的存在会影响其水流结构,从而对河床冲淤、航运、防汛工程等产生严重影响。采用格子Boltzmann方法对具有刚性植物的实验室水槽水流结构进行了二维数值模拟研究。在数值模拟中,使用Boltzmann-BGK模型中的D2Q9模型,固壁边界采用反弹边界处理方式。在水槽中,按植被排列方式不同分4种典型工况,分别进行了数值模拟,对水流流速及涡旋结构进行了分析比较,得到了植被按稀疏平行、稠密平行、稀疏交错、稠密交错等4种排列方式下水流断面流速分布及涡漩结构。研究结果对河道治理、河道生态环境建设等领域有一定的工程应用价值。

挺水植被状态对水流阻力影响的实验研究

挺水植被的状态在水流作用下会发生改变。该文通过实验室实验观测了单株挺水植被在水流作用下的状态变化和对水流阻力的影响,分析了不同水流条件下单株挺水植被状态和阻力系数之间的关系;同时研究了相同水流条件下不同种类或生长期的挺水植被对水流阻力的影响。研究结果表明,挺水植被相对刚度和阻力系数之间关系密切,随着相对刚度的增大,阻力系数也随之增大。

滇池湖滨湿地挺水植物收割对冬季水鸟多样性的影响

为探究湿地植被变化对水鸟多样性的影响。2021年11月—2022年2月调查滇池湖滨水鸟种类、数量、优势度和水鸟多样性,分析湖滨湿地挺水植被收割对水鸟多样性的影响。结果表明:湿地植被收割后,水鸟物种多样性和游禽多样性均增加;越冬水鸟多样性增加,留鸟和旅鸟多样性减少;鸟类物种丰富度呈增加趋势,鹳科、鸻科、鸥科鸟类各增加1种、鸭科鸟类增加3种;植被收割后香农威纳多样性指数为-0.001~0.05,植被收割前后有61.8%的水鸟种类相似,游禽和涉禽的相似性指数分别为52.9%和70.6%。挺水植物收割对冬季水鸟多样性具有重要影响,建议管理部门科学合理规划湿地植被的收割频次和收割时间。

基于随机位移方法的植被水流纵向离散研究

在天然河道中,离散主要是由纵向流速在横断面分布的不均匀所引起,当河道中存在部分挺水植被时,流速分布的不均匀性更加明显。为了研究部分挺水植被水流中的纵向离散,假设各变量在垂向是不变的,模拟一个由流向和横向组成的二维域,引入了基于拉格朗日观点的随机位移模型,该方法直接使用独立运动的离散颗粒来描绘物质的输移,不再需要求解随流扩散方程。随机位移模型主要根据水深平均流速和横向紊动扩散系数的横向分布来确定污染物的分布。其中,流速横向分布公式采用了基于剪切涡的简化经验公式,该公式的优点在于不用对二次流系数进行率定,且物理意义明确;另外,利用量纲关系及遗传算法给出了剪切涡外层宽度的显性经验公式,分析可得剪切涡外层宽度主要由水深和河床阻力决定,植被的直径和密度对于涡旋外层结构影响较小;根据以往实测资料,提出了横向紊动扩散系数的横向分布模型,揭示了横向紊动扩散系数在交界处远大于稳定区的动力特性。为了验证随机位移模型预测的准确性,在长直部分植被水槽进行了室内试验,流场中不同点的浓度过程线的实测值与模拟值吻合良好,表明随机位移模型可以有效地模拟部分挺水植被水流纵向离散,为生态河道污染物混合输移的评估提供了新的方法。