含水生植物河道曼宁糙率系数的试验研究

水生植物是河流生态系统的重要组成部分,但水生植物的存在使得水流阻力增加,河道行洪能力降低,开展含水生植物河道曼宁糙率系数的研究,对河流生态综合治理具有重要意义。本文基于对含淹没柔性水生植物水流的室内水槽系列试验和量纲分析理论,分析了植物挺立度、相对淹没高度及相对密植度对河道曼宁糙率的影响,给出了淹没状态下含柔性水生植物河道的通用等效曼宁糙率系数经验公式。     

含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究

采用概化水槽试验研究了在不同植物间距、水流条件下,含淹没植被明渠水位、曼宁糙率系数的变化特征,给出了含淹没植被明渠的糙率经验公式.试验结果表明:相同的流量、水深条件下,明渠的水位壅高值和水面比降均随植物间距的减小而逐渐增大,当植物枝叶相互间贴近或交叉时,植物对明渠水位、比降的影响程度相对较大;水深基本相同、植物排列方式相同的情况下,随着流量的增加,水面比降基本呈线性增大趋势;水深相同的条件下,含淹没植被明渠糙率受水流流速的影响较小.     

湿地非淹没芦苇水流阻力的试验研究

对松嫩流域湿地主要植物芦苇在非淹没流条件下的阻力特性进行了水槽模型试验；利用恒定非均匀流水力参数的基本关系．由实测水面线计算芦苇阻力的底面等效剪应力，进而确定等效曼宁系数；试验结果表明非淹没芦苇的等效曼宁系数和水深成线性关系，它和流速的大小基本无关；还给出了Darcy-Weisbach系数与水深的关系及曼宁系数与作用在三维单元水体上芦苇阻力间的关系。     

沉水植物对河道曼宁系数影响的实验研究

该文在实验室水槽中利用三维声学多普勒流速仪(ADV)和波高仪测定水流流速和波浪高度,以此数据研究了河道水生沉水植物对曼宁系数的影响。实验利用人造植物模拟自然植物,研究结果表明沉水植物对水流结构、阻力特性存在显著影响。在分析曼宁系数的变化规律之后提出了新的半经验方程,用以预测不同植物密度、不同波流条件下曼宁系数的变化。曼宁系数主要和植物密度和水流流速有关,同时受波浪的影响。新的方程对曼宁系数的拟合效果良好。     

含植物河道等效床面阻力试验研究

植物广泛存在于滩地和河槽中,可有效改善水环境,但同时也增加了水流阻力。通常采用不同材料的棍状物或仿生植物模拟实际植物进行试验研究,将植物阻力附加于床面上与原床面阻力一起构成等效床面阻力,因模拟实际植物的不相似导致含植物河道等效床面阻力的研究不够完善。本文提出了对实际植物分区施加实际流速条件进行试验的思路,即按河道现场调研的植物密度布置,沿横向和垂向对河道横断面分区,对实际植物区域施加实际流速条件,试验研究分区水体中的植物阻力,最后换算得到表征等效床面阻力的等效床面糙率。以独流减河上游河道为对象,选用乔木、灌木和芦苇三种典型植物,考虑河道横断面不同分区的流速条件进行了试验,结果表明,当遭遇100年一遇洪水时,乔木种植区域的等效床面糙率为0.060～0.066,灌木种植区域的等效床面糙率为0.083～0.099,芦苇种植区域的等效床面糙率为0.698～0.989。研究成果可为防洪计算和水环境治理提供理论支持。     

浮帘群水流阻力特性试验研究

为探明含浮帘群水流的阻力特性和各阻力参数计算方法,对不同间距、不同高度浮帘群在不同恒定均匀明渠流中的阻力特性开展了92组水槽试验。通过拟合水面线获得水力坡降,探讨浮帘拖曳力系数、曼宁糙率和达西韦斯巴赫阻力系数的变化规律。研究结果表明:浮帘群布置存在临界间距,此时浮帘间的相互干扰作用几乎消失;浮帘群消能增阻作用明显,其拖曳力系数在不同水流条件下变化较小,取值介于1.60~2.05之间;曼宁糙率主要与浮帘相对高度及浮帘分布密度有关,并获得了曼宁糙率的修正计算方法;达西韦斯巴赫阻力系数可由浮帘相对高度、浮帘分布密度及浮帘雷诺数组成的拟合公式获得。     

淹没状态下河道植物偏斜高度与糙率的关系

利用室内变坡水槽,模拟了复式河道滩地3种植物对漫滩水流的干扰作用,并借助声学多普勒测速仪(ADV)施测了不同垂线、不同测点的瞬时流速,计算了不同条件下的河道糙率。基于水动力及植物柔性变形分析,建立了淹没状态下的植物河道糙率计算的基本关系,反映出糙率值不仅与水流动力条件有关,还与植物类型、淹没高度、布置及其自身力学性能有关,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获取了植物河道的附加糙率值,借此分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。     

含淹没植物的水流阻力试验研究

河道中存在水生植物会改变水流阻力,在大多数情况下会导致水位抬高,降低河道的泄洪能力。然而,水生植物的存在对河道治理、边滩保护、水质净化等起积极作用。为了探索河道中水生植物对水流阻力的影响,在实验室水槽中进行了不同密度的流淹没刚性植物水流试验,观测了沿程的水位变化,计算了水面坡降,基于试验资料分析了雷诺数、植物密度对糙率系数的影响,并建立拖曳力同植物水流特征粗糙度对数关系表达式,丰富了植物条件下明渠流动的试验观测资料数据库。     

生态浮床对河道水流阻力效应试验研究

采用水槽试验方法研究了不同水流条件、不同布置形式下生态浮床对河道水流阻力特性的影响,结果表明:试验条件下,生态浮床增加了水流阻力,造成上游水位壅高,流经生态浮床附近的水流流速迅速降低,床体两侧涡纹明显;生态浮床的等效附加糙率为0.006～0.043,在相同流速条件下,水深越深,等效附加糙率越大,浮床居中布置较浮床交错布置等效附加糙率更大些。     

植草型生态护岸水力特性试验研究

为研究不同水流条件下植草型生态护岸上的植被表面曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数的变化规律,在室内大流速水槽内模拟河道径流对草皮护坡进行了冲刷模型试验。试验结果显示:(1)试验所选用的狗芽根(Cynodon dactylon)及高羊茅(Festuca arundinacea)的曼宁糙率值在0.025～0.090范围内;(2)植被表面曼宁糙率系数随流速的增大而减小,当流速超过4 m/s时,糙率值稳定在0.025～0.035之间,在某一稳定流量下,植被表面曼宁糙率值首先随冲刷历时的增加而递减,而后逐渐趋于稳定,并在护坡破坏时发生突增;(3)Darcy-Weisbach阻力系数不仅与植被的种类及生长状况有关,而且和植被的平均瞬时弯曲高度与水力半径的比值有关,随着水流流速及历时的增加阻力系数也随之减小。     

Characteristics of Flow Resistance in Open Channels With Non-Submerged Rigid Vegetation

The flow resistance factors of non-submerged rigid vegetation in open channels were analyzed. The formulas of drag coefficient CD and equivalent Manning＇s roughness coefficient na were derived by analyzing the force of the flow of non-submerged rigid vegetation in open channel. The flow characteristics and mechanism of non-submerged rigid vegetation in open channel were studied through flume experiments.     

含竖向杆件的半圆形明渠糙率研究

TBM掘进机轨道常采用工字钢支撑,明渠底部设置工字钢后会降低其过水能力。为了定量研究明渠底部设置工字钢后对其糙率的影响,引入了等效水力参数的概念,对工字钢产生的等效附加糙率进行了理论分析。此外,结合某实际工程,通过模型试验研究,测量了设有工字钢的半圆形明渠在不同流量下的水深,采用假定糙率试算法、逐段计算糙率法对其综合糙率进行了计算分析。研究结果表明,建立的"糙率条带计算法+等效附加糙率计算法"得到的综合糙率值与模型试验值吻合良好,可采用理论计算方法估算半圆形明渠底部设置竖向杆件后的综合糙率。     

Hydraulic model with roughness coefficient updating method based on Kalman filter for channel flood forecast

A real-time channel flood forecast model was developed to simulate channel flow in plain rivers based on the dynamic wave theory.Taking into consideration channel shape differences along the channel,a roughness updating technique was developed using the Kalman filter method to update Manning's roughness coefficient at each time step of the calculation processes.Channel shapes were simplified as rectangles,triangles,and parabolas,and the relationships between hydraulic radius and water depth were developed f...     

不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响

自然河道中植被呈现多种多样的分布状态,为探究不同布置形态下刚性淹没植被对水流特性的影响,利用室内水槽模拟含刚性淹没植被的明渠进行试验研究。结果表明:刚性淹没植被的布置形态对明渠流水流特性影响显著。在本文研究的植被布置形态下的水深、植被阻力系数与植被粗糙系数均增大,表现为交错型布置斑块型布置线性布置;流速与雷诺数均减小,表现为线性布置斑块型布置交错型布置;糙率n随着平均流速与水力半径之积VR的增大而减小。     

渠道糙率率定误差分析

本文研究了渠道糙率率定误差与水力测量误差的函数关系。根据水力学原理,提出了计算渠道糙率率定误差的公式,然后计算分析了南水北调中线京石段应急供水工程实测流量、水深误差产生的渠道糙率率定的误差.得到重要结论:(1)微小的水力测量误差可能产生较大的渠道糙率率定误差,现有南水北调中线典型渠道原型观测糙率误差可达11%;(2)糙率的流量误差分量相对值与流量测量误差基本相同;(3)糙率的进出口水深误差分量绝对值非常接近,两者绝对值大小不仅与水深测量误差成正比,而且与渠道长度有关,当渠道过短时,糙率的水深误差分量将成倍增加。     

凉水河水环境治理生物填料对河道阻力的影响

结合北京市凉水河水环境治理工程,利用水槽试验,研究河道布设生物填料后,其阻力特性的变化规律.分析了水槽中布设单排、双排生物填料,在不同生物填料高度、流量等运行条件下,水槽综合糙率系数的变化规律;定量提出生物填料相对高度与综合糙率系数的相关关系.并根据凉水河河道水力参数及布设的生物填料数量、高度等参数,提出凉水河布设生物填料后的综合糙率系数值,为论证凉水河水环境治理工程是否影响河道行洪安全提供技术依据.     

含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究

利用水槽试验研究了无草、淹没型、非淹没型柔性植物水流阻力特性的变化规律,分析了含植物明渠沿程水面比降和阻力系数的变化特性。得到各植物阻力系数变化与尼库拉兹曲线基本相似,紊流范围内同样可划分为紊流光滑区、紊流过渡区、紊流粗糙区;探讨了各植物明渠等效河床的问题,据此确定了各植物的粗糙度,对植物粗糙度、水流雷诺数和阻力系数之间的关系进行了分析,并通过对各植物水流阻力系数的分区回归计算,得到各植物水流阻力的分区经验表达式,该方法能较好地应用于含植物明渠水流阻力系数的推求。     

Roughness coefficient and its uncertainty in gravel-bed river

Manning's roughness coefficient was estimated for a gravel-bed river reach using field measurements of water level and discharge,and the applicability of various methods used for estimation of the roughness coefficient was evaluated.Results show that the roughness coefficient tends to decrease with increasing discharge and water depth,and over a certain range it appears to remain constant.Comparison of roughness coefficients calculated by field measurement data with those estimated by other methods shows that,although the field-measured values provide approximate roughness coefficients for relatively large discharge,there seems to be rather high uncertainty due to the difference in resultant values.For this reason,uncertainty related to the roughness coefficient was analyzed in terms of change in computed variables.On average,a 20%increase of the roughness coefficient causes a 7% increase in the water depth and an 8% decrease in velocity,but there may be about a 15% increase in the water depth and an equivalent decrease in velocity for certain cross-sections in the study reach.Finally,the validity of estimated roughness coefficient based on field measurements was examined.A 10% error in discharge measurement may lead to more than 10% uncertainty in roughness coefficient estimation,but corresponding uncertainty in computed water depth and velocity is reduced to approximately 5%.Conversely,the necessity for roughness coefficient estimation by field measurement is confirmed.