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疏花水柏枝形态-生物力学特性变化及对水流特性的影响

疏花水柏枝形态-生物力学特性变化及对水流特性的影响

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作者：温希望华中农业大学

学位级别：硕士

三峡库区地处峡谷山地,河流深切,地表破碎,水土流失严重,水土流失带来的入库泥沙威胁着三峡水库的安全运行。植物措施是修复三峡漫滩区域生境、抑制入库泥沙的关键措施。疏花水柏枝是三峡消落带特有的濒危植物,在三峡消落带进行疏花水... 详细信息

三峡库区地处峡谷山地,河流深切,地表破碎,水土流失严重,水土流失带来的入库泥沙威胁着三峡水库的安全运行。植物措施是修复三峡漫滩区域生境、抑制入库泥沙的关键措施。疏花水柏枝是三峡消落带特有的濒危植物,在三峡消落带进行疏花水柏枝的回归引种,既是疏花水柏枝种群恢复的必要举措,也是修复三峡消落带破碎生态环境的重要措施,目前在回归引种过程中对于其阻流拦沙作用的研究还非常有限。因此,本文采用空间换时间的策略选择1-2年(小苗)、3-4年(中苗)、5-7年(大苗)的疏花水柏枝为试验材料,分别在8月下旬(休眠期)、9月下旬(生长初期)、10月下旬(生长旺盛期)进行试验,分析其随着年内年际生长而出现的形态和生物力学特性变化及尾流区水流特性的相应变化,揭示疏花水柏枝与水流相互作用的机理,为三峡消落带修复提供理论基础。利用电子万能材料机测量疏花水柏枝的弯曲和拉伸性能,利用ADV流速仪和室内循环水槽测量疏花水柏枝尾流区的流速。这是首次分析疏花水柏枝生物力学特性,也是首次对疏花水柏枝尾流区水流特性进行分析。本文的主要结果概括如下:(1)疏花水柏枝年内动态生长(从休眠期到生长旺盛期)导致与水流发生相互作用的正面面积增加,生物力学特性中的抗弯能力增加,抗拉能力减弱。小苗生长初期和生长旺盛期正面面积分别是休眠期的1.2倍、2.4倍,生长旺盛期弯曲刚度是休眠期的22.3倍,休眠期拉伸杨氏模量为生长旺盛期的1.8倍。中苗生长初期和生长旺盛期正面面积分别是休眠期的2.8倍、5.6倍,生长旺盛期弯曲刚度为休眠期的10.7倍,而休眠期拉伸杨氏模量为生长旺盛期的2.0倍。大苗生长初期和生长旺盛期正面面积分别是休眠期的1.3倍、2.6倍。生长旺盛期弯曲刚度为休眠期的3.5倍,而休眠期的拉伸杨氏模量为生长旺盛期的1.5倍。(2)疏花水柏枝年内生长,抑制水流流速的作用增强,与周围水体的流速梯度增加,水体紊动交换增强。休眠期植物阻流面积较小,对尾流区流速的削减作用较小,进入生长初期后,阻流面积逐渐增加,对尾流区流速的削减作用逐步增强。在休眠期,尾流中湍动能的产生由床面摩擦和植物共同控制,进入生长旺盛期后植物后方低速水体与周围水体之间的流速梯度增加,尾流中湍动能产生由植物主导。从休眠期到生长旺盛期,随着植物生长,尾流中湍动能在数值上增加。年内生长对水流主导流态的影响不大,对于淹没状态的疏花水柏枝,在混合层扫射流态主导下使得泥沙等物质易于沉积在植物下游床面。通过能谱分析发现植物年内季节性生长,尾流主导频率对应的能量增加,即水流波动增强,漩涡运动增加,水体紊动增加。(3)疏花水柏枝年际生长后主茎数量、茎直径、正面面积都随之增加,抗弯能力和抗拉能力也随着年际生长而增加。小苗只萌生一根主茎,中苗和大苗分蘖后呈现为多茎状,茎直径也随着年际生长增加明显,小苗平均直径约为1.36 cm,中苗平均直径为2.26 cm,大苗平均直径为4.60 cm。大苗的正面面积分别是中苗和小苗的2.6倍和14.3倍。植物年际生物力学特性主要受直径变化的控制,大苗能承受的最大弯曲力是中苗和小苗的3.0倍和3.7倍,大苗的断裂拉伸力分别是中苗和小苗的5.0倍和8.9倍。(4)疏花水柏枝年际生长能进一步抑制水流流速,增加水体紊动交换。小苗对流速的削减作用最小,对比中苗和大苗对流速的影响发现中苗能够在有限的区域内更大程度的削减水流流速,而大苗能够在更大区域内影响水流流速。苗龄较小时,植物单独对水流产生影响,随着苗龄增加,两株植物引起的侧向偏转水流相互融合,可能会在两株植物之间形成冲刷区。小苗对尾流区中湍动能产生的影响最小,中苗尾流区中形成了更大的流速梯度,加上中苗在试验条件下轻微的摆动,中苗在有限区域内的湍动能在数值上大于大苗和小苗,但是大苗由于有更大的正面面积,在更大范围内影响着湍动能的产生。三种苗龄疏花水柏枝在下层水体中都呈现为喷射流态占主导地位,有利于下层泥沙等物质随水流一起向下游床面输移。能谱分析表明主导频率对应的能量峰值中苗>大苗>小苗,即中苗尾流中漩涡运动最剧烈。(5)弯曲刚度和正面面积的年内动态增加共同促进植物斑块的阻流拦沙作用。从休眠期到生长旺盛期,疏花水柏枝正面面积呈指数趋势增加。进入生长旺盛期后,植物弯曲刚度增加,导致植物在生长旺盛期承受比休眠期更大的拖曳力后,弯曲程度依然与休眠期一致,弯曲刚度的动态增长使得植物能在更大的水深范围内阻流拦沙,同时沉积的泥沙颗粒及携带的营养物质能够进一步促进植物的生长发育。

关键词：疏花水柏枝生长形态-生物力学特性平均流速紊动特性

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