复合河道中淹没柔性植被与水流相互作用的湍流结构与各向异性研究

　　本综述系统分析了复合河道中淹没柔性植被对湍流结构的影响，重点探讨了植被条件（无植被、均质草类、均质灌木及混合植被）下流速分布、雷诺剪切应力（RSS）、能谱密度（PSD）、象限分析和湍流各向异性的变化规律。研究揭示了植被通过增强动量交换和能量耗散，显著改变河道内相干结构形态（如从雪茄形向薄饼形转变），为河道生态修复与洪水风险管理提供了关键湍动力学依据。

　　

Highlight

深度平均流速与流速梯度

深度平均流速（U_d）是衡量流动断面垂向平均速度的指标。图9(a,b)分别展示了测试段中部和下游不同实验案例的深度平均流速横向分布。由于对称性，结果仅呈现一半断面。植被类型根据其形态、柔性和整体特征表现出不同的阻力。

在测试段中部，无植被（NV）案例的主河道（MC）和漫滩（FP）间流速梯度较缓。而植被案例（特别是混合植被MV）在坡度区域（SR）形成陡峭流速梯度，加剧了动量交换。下游断面因强动量交换作用，混合层扩展且横向RSS显著增强。

雷诺剪切应力（RSS）垂向变化

RSS垂向变化（τ_xz）在MC呈线性分布，在SR呈现高度非线性特征，至FP逐渐恢复线性。植被存在不仅增大了RSS幅值，还强化了其非线性行为。象限分析表明：近床区域以喷射（ejection）和扫掠（sweep）事件主导，促进沉积物输运；外层因内向/外向相互作用增强动量交换。

讨论

通过人工柔性FP植被的梯形复合河道实验发现，植被拖曳力降低FP流速的同时加速MC流动，形成SR区域的陡峭流速梯度。混合植被（MV）比均质植被（HG/HS）产生更强阻力，进一步强化界面处的湍流混合。能谱分析显示植被使大尺度相干结构主导频率向低频迁移，湍流积分时间尺度缩短，能量耗散增强。各向异性不变映射（AIM）表明植被案例中湍流从雪茄形（NV）向薄饼形结构转变，近床区和外层的各向异性不变函数值显著提升。

结论

本研究通过四种实验配置（NV/HG/HS/MV）系统揭示了对称复合河道在淹没植被条件下的湍流动力学特性，主要结论如下：

• FP植被降低漫滩区深度平均流速，间接提升主河道流速；

• 植被增强坡度区域的横向RSS及垂向非线性特征；

• 象限事件主导近床沉积物输运与外层动量交换；

• 湍流尺度分析显示植被缩短涡旋周转时间，促进能量耗散；

• 各向异性分析表明植被使湍流结构从轴向拉伸（雪茄形）转为平面扩展（薄饼形），凸显了植被对湍流多维结构的重塑作用。