《Ecohydrology & Hydrobiology》：Process-based understanding of spur and vegetation effects on channel bank hydrodynamics under submerged and emergent sandbar conditions
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该研究通过六组实验评估了交替淹没/裸露沙洲水槽中导流堤与刚性水下植被的水动力影响，发现植被在抑制近岸流速（最大45%）、降低湍动能（1.5-2倍）及剪切应力（约2）方面优于结构措施，植被通过增加水力粗糙度有效调控能量传递，为可持续河岸防护提供依据。
作者：奥姆·普拉卡什·毛里亚（Om Prakash Maurya）、赛卡特·达斯（Saikat Das）、马尼什·辛格·拉纳（Manish Singh Rana）、苏巴希萨·杜塔（Subashisa Dutta）
印度古瓦哈提理工学院（Indian Institute of Technology Guwahati）土木工程系，邮编781039
摘要
本研究量化了在具有交替沉没和露出水面的沙洲结构的直线实验室水槽中，结构性（如突堤）和植被性（如刚性水下植被）干预措施对水流动力响应的影响。通过六次实验（EX1-EX6），评估了植被密度和突堤布置对顺流速度、湍流动能（TKE*）、雷诺剪切应力（RSS*）以及各象限湍流结构的影响。密集植被（横向和纵向间距均为2.5厘米）使近岸顺流速度降低了多达45%，其中下游横截面的抑制效果最为显著。突堤结构产生了局部流动阻力，使速度降低了多达30%，但其影响在突堤区域下游逐渐减弱。湍流动能在突堤尖端附近达到峰值（约4-5），表明湍流在此区域被放大；而密集植被则将湍流动能降低至1.5-2，这与植被的高度相匹配，体现了其在减缓能量传递中的作用。雷诺剪切应力在突堤附近约为6，表明向下动量交换增强；密集植被则将其降低至约2，证实了其对垂直湍流的抑制效果。象限分析显示，突堤加剧了向外（Q1）和扫掠（Q4）方向的湍流爆发，而密集植被则增强了向上方向的湍流，促进了向上动量传递，并减少了近床面剪切应力。总体而言，密集植被在稳定水流和减少湍流方面比结构性措施更为有效，为河岸保护和河道系统中的泥沙控制提供了一种可持续的方法。
引言
河流走廊和河口处的沉积作用常常导致诸如三角洲、河道中沙洲和侧向沙洲等动态地貌特征的形成（Almeida等人，2024年；Hazarika等人，2025年；Nandi等人，2022年）。这些沉积结构显著影响局部水力条件，进而引发河道收窄、河岸侵蚀和侧向迁移等过程（Habib和Tanaka，2025年；Hua等人，2009年；Khan等人，2021年；Nandi等人，2024年）。此类地貌变化可能对周边社区、基础设施和农业用地构成严重威胁（Chakrabartty，2025年；Rudra，2000年；Shampa等人，2024年）。应对这些挑战需要深入理解在不同水力和地貌条件下流动结构、泥沙输运及河道形态之间的相互作用。过去几十年里，河岸保护策略主要分为三类：（i）硬性工程干预措施（如突堤、丁坝），通过物理方式将水流引导远离易侵蚀的河岸；（ii）基于自然的解决方案（NBS），尤其是通过增加流动阻力、减少泥沙输运并稳定河岸的植被措施；（iii）结合结构性和植被性干预措施的混合方法，以实现水动力控制与生态功能的平衡（Gurnell，2014年；Gurnell等人，2007年；Heibaum，2012年；Iqbal等人，2024年；Patel等人，2023年；Sukhodolov等人，2017年；Xiang等人，2020年）。由于植被在减缓近岸速度和增强栖息地多样性方面的多功能作用，基于植被的保护策略受到了越来越多的关注（Chambers等人，2023年；Maurya等人，2025年；Moreau等人，2022年；Schmidt等人，2022年）。特别是密集配置的水下植被能够增加水力粗糙度、重新分布湍流并减轻泥沙裹挟。相比之下，突堤结构因能够形成水流偏转区并降低局部侵蚀风险而被广泛应用于工程化河道中；然而，它们往往会在基部引发较高的剪切应力和湍流，可能导致局部冲刷（Iqbal等人，2025年；Tripathi和Pandey，2022年）。尽管已有大量研究探讨了植被和突堤结构对水流特性的单独影响，但在复杂地貌环境（尤其是具有交替沉没和露出水面的沙洲的河道）中，对其综合效应的理解仍存在不足。这些复合河床形态会导致水流速度和湍流模式的显著空间异质性，使得预测剪切应力分布和泥沙输运动态变得困难。
例如，Habib和Tanaka（2025年）的研究表明，在均匀沙洲布局下，水下植被可使顺流速度降低多达45%，湍流强度降低35%。然而，他们的研究仅限于简单的河床形态，未考虑交替沉没和露出水面的沙洲配置或河岸保护措施。类似地，Rominger等人（2010年）发现，添加刚性植被通过减少局部速度波动和促进泥沙沉积来提高沙洲稳定性，但他们的研究也集中在形态均匀的侧向沙洲上。Calvani等人（2023年）进一步指出，交替沙洲上的植被能够抑制泥沙输运并影响沙洲迁移动态；不过他们的研究重点是大尺度地貌动力学，而非近岸局部水动力响应。这些研究总体上强调了植被的积极水力效应，但未探讨沙洲形态与突堤等结构性干预措施的联合效应。因此，基于过程的实验研究对于揭示交替沉没和露出水面的沙洲如何与不同河岸保护措施相互作用以及如何影响近岸湍流和泥沙运动至关重要。为填补这一研究空白，本研究在具有交替沉没和露出水面的沙洲的河道水槽中，探讨了突堤和刚性水下植被的水动力响应。主要目的是量化这些干预措施对（i）顺流速度分布、（ii）湍流动能（TKE*）、（iii）雷诺剪切应力（RSS*）以及（iv）各象限湍流贡献的影响。通过设计六种实验方案（EX1-EX6），在扭曲的物理模型中模拟了不同植被密度和突堤布置的复合河道，以获得基于过程的见解，为可持续的、因地制宜的河岸保护策略设计提供依据，并为未来实地验证和数值建模提供参考数据。
方法论
本研究在古瓦哈提理工学院的河流水生态实验室（Fluvial Hydro-ecological Laboratory）的一个循环式、不可移动的沙床水槽中进行。共进行了六次受控实验，以研究在裸露和植被覆盖条件下，交替沉没和露出水面的沙洲配置对水流动力响应的影响，重点关注近岸区域。实验设置包括水槽尺寸、沙洲几何形状和河道布局等细节。
结果
本节展示了流参数的结果和讨论，包括无量纲顺流速度（u/uc）、无量纲湍流动能（TKE* = TKE/uc2）、无量纲雷诺剪切应力（RSS*= RSS/uc2）以及象限分析结果。在第一个实验方案（EX1）中，对整个河道宽度进行了详细流速测量，在前三个横截面记录了14个点，在其余三个横截面记录了5个点（见图3）。
顺流速度的解释与意义
CS1-CS6之间的顺流速度分布反映了沙洲、突堤和植被的综合作用，但这些作用仍可区分。为明确各自贡献，解释结果首先参考了仅含沙洲的基准情况，随后分析了突堤带来的变化，最后考虑了植被的影响。
在仅含沙洲的情况下（EX1），由于水流分离和低压循环区的作用，沉没沙洲（CS1-CS2）下游的速度明显降低。
结论
本研究旨在评估在交替沉没和露出水面的沙洲环境中，三种突堤布置和不同植被密度对河道水力性能的影响。通过测试六种实验配置（EX1-EX6），评估了这些结构性和植被性干预措施对六个横截面（CS1-CS6）的顺流速度、湍流特性及近岸流动动态的影响。主要发现如下：
作者贡献声明
奥姆·普拉卡什·毛里亚（Om Prakash Maurya）：概念构思、方法论设计、软件开发、验证、数据分析、可视化处理、初稿撰写。
赛卡特·达斯（Saikat Das）：数据分析。
马尼什·辛格·拉纳（Manish Singh Rana）：数据分析。
苏巴希萨·杜塔（Subashisa Dutta）：概念构思、监督、审稿与编辑。
