生態(tài)河道中植草護(hù)岸曼寧系數(shù)的研究

董斌

（福建工程學(xué)院，福建 福州 350000）

生態(tài)河道中植草護(hù)岸曼寧系數(shù)的研究

董斌

（福建工程學(xué)院，福建 福州 350000）

以生態(tài)河道中的植草護(hù)岸為研究對(duì)象，進(jìn)行玻璃水槽試驗(yàn)，利用分離面積法估算植草護(hù)岸的曼寧系數(shù)，推得植草護(hù)岸nw值與NF的關(guān)系函數(shù)，為生態(tài)河道的設(shè)計(jì)提供參考.

生態(tài)河道；植草護(hù)岸；曼寧系數(shù)

水生植物在國(guó)內(nèi)外生態(tài)河道工程中得到廣泛應(yīng)用.雖然水生植物有利于美化環(huán)境、凈化水質(zhì)，但水生植物也增加了河道水流阻力，使流速減小、水位壅高，降低了河道的行洪能力.國(guó)外關(guān)于水生植物對(duì)水流阻力及水流結(jié)構(gòu)的研究較多，M.Rightt等研究了完全淹沒(méi)灌木叢所引起的河道阻力，構(gòu)建了關(guān)于空間和時(shí)間基數(shù)的數(shù)學(xué)模型.M.Faith.Moghadam等研究了淹沒(méi)植物狀態(tài)下曼寧系數(shù)的變化規(guī)律.N.S.Cheng等通過(guò)類比植被明渠流和管流，用與植被有關(guān)的水力半徑重新定義了雷諾數(shù)，得到了一個(gè)新的含有雷諾數(shù)的摩擦力函數(shù).J.D.Shucksmith在玻璃水槽中研究了植物不同生長(zhǎng)期對(duì)水流阻力的影響[1].顧峰峰用PVC代替蘆葦，研究了蘆葦在非淹沒(méi)流條件下的阻力特性[2].李冬采用棕櫚毛作為模擬材料，探討了植物高度的非均勻性對(duì)水流阻力的影響[3].

上述前人的研究成果，均以河道河床水生植物為研究對(duì)象，探討淹沒(méi)或非淹沒(méi)情況下，水流所受阻力的特性，估算有水生植物河道的曼寧系數(shù).以往研究?jī)H考慮河床平面植物的曼寧系數(shù)，尚無(wú)護(hù)岸植草和渠流阻力關(guān)系的研究.然而，實(shí)際工程中生態(tài)河道要考慮多樣性的護(hù)岸，提供粗糙表面或植草護(hù)岸，塑造生態(tài)性的水域環(huán)境.護(hù)岸植草將改變?cè)o(hù)岸的曼寧系數(shù)，曼寧系數(shù)的估算正確與否將影響到渠道實(shí)際排水量.故本文以植草護(hù)岸為研究對(duì)象，進(jìn)行玻璃水槽試驗(yàn)，測(cè)量渠道水深、平均流速及流量等水力學(xué)參數(shù).利用分離面積法估算植草護(hù)岸的曼寧系數(shù)，推得植草護(hù)岸nw值與NF的關(guān)系函數(shù)，為生態(tài)河道的設(shè)計(jì)提供參考.

1 矩形渠道曼寧系數(shù)的估算方法-分離面積法

將渠道斷面積（AT）視為渠底面積（Ab）和渠岸面積（Aw）之和，利用已知玻璃水槽渠壁nW值代入曼寧公式，求得渠岸面積Aw，計(jì)算得渠底面積Ab=AT-AW，即可估算得渠底曼寧系數(shù)nb值.

1.1 未植草水槽試驗(yàn)，求得渠底的曼寧系數(shù)nb

由曼寧公式可知，

其中，V為平均流速，nb和nw分別為渠底和護(hù)岸的曼寧系數(shù)，Rb和Rw分別為渠底和護(hù)岸的水力半徑，Sf為坡降.

因?yàn)镽w=Aw/2D,其中D為水深，代入（2）式求得：

又Ab=AT-AW，Rb=Ab/B,B為渠寬，代入（3）式得：

1.2 植草護(hù)岸水槽試驗(yàn)，估算植草護(hù)岸的曼寧系數(shù)nw

已知nb值，由式（5）得：

由（2）式可得：

2 水工試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)水槽尺寸12米長(zhǎng)×0.4米寬×0.6深，水槽坡度可以調(diào)節(jié)，配22千瓦循環(huán)水泵一部，水位測(cè)量依靠水位測(cè)針（精度0.01mm），流速量測(cè)依靠電子流速儀（精度0.1cm/s）.試驗(yàn)中的護(hù)岸植物采用塑料草代替，每塊草皮20cm×20cm，塑料草一株9瓣葉片，每瓣葉片長(zhǎng)2.5cm.

為了測(cè)量到發(fā)展完整的穩(wěn)定均勻流態(tài)，試驗(yàn)段布置于水槽后段，距進(jìn)水口7m-9.2m段（詳見(jiàn)圖1）.

圖1 植草護(hù)岸水槽試驗(yàn)布置示意圖

3 植草護(hù)岸nw值與坡度、流量的關(guān)系

植草護(hù)岸水槽試驗(yàn)結(jié)果如圖2-圖6所示.植草護(hù)岸nw值與流量之關(guān)系曲線如圖2所示.由圖可知，S≤0.020時(shí)，相同坡度下，護(hù)岸nw值隨流量增加而先增后減的趨勢(shì)，在Q=0.0305m3/s時(shí)呈現(xiàn)最大nw值，此狀況下水草阻力為最大；而坡度較大時(shí)(S>0.020)，nw值則呈現(xiàn)隨流量增加而漸大的趨勢(shì).

圖2 護(hù)岸nw值與流量Q的關(guān)系曲線

圖3 護(hù)岸nw值與坡度S的關(guān)系曲線

圖3為護(hù)岸nw值與坡度S之關(guān)系曲線，在低流量時(shí)nw值變化較大，受到坡度的影響較大；而高流量時(shí)nw值變化較小，受到坡度的影響則較小.在相同流量時(shí)，護(hù)岸nw值隨坡度增加而先漸增，在S=0.008-0.010之間達(dá)到最大，而后nw值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；Q≤0.0395m3/s時(shí)，護(hù)岸nw值于S=0.025時(shí)為最小，nw值在S>0.010后呈現(xiàn)漸減趨勢(shì)略有不同，此乃低流量、大渠坡時(shí)，呈現(xiàn)的低水深、高流速流態(tài)，此時(shí)兩側(cè)護(hù)岸植物完全伏倒，渠道水深驟降，水流速度加快，相較于S<0.025時(shí)之nw值為小.而坡度增至S=0.030時(shí)，渠道水深再降低甚少，相較于S=0.025時(shí)的流速略為增加，故此時(shí)nw值呈現(xiàn)略為增大.

4 植草護(hù)岸nw值與D/B、VRW的關(guān)系

圖4 曼寧系數(shù)nw與D/B的關(guān)系曲線

圖5 曼寧系數(shù)nw值與VRw的關(guān)系曲線

5 曼寧系數(shù)nw值與佛洛德數(shù)NF的關(guān)系

佛洛德數(shù)NF代表渠流流態(tài)，將護(hù)岸nw值與NF綜合分析，其關(guān)系曲線如圖6所示.nw值與NF可由線性回歸分析得單一曲線，植草護(hù)岸nw值與NF的關(guān)系函數(shù)為：

圖6 植草護(hù)岸nw值與NF的關(guān)系曲線

NF=1臨界流時(shí)，代入線性回歸函數(shù)得nw=0.0621，與nw-D/B和nw-VRw數(shù)據(jù)分析結(jié)果nw=0.0600相當(dāng)近似，此表示上述線性回歸函數(shù)（式8）可有效應(yīng)用于植草護(hù)岸nw值的估算.

6 結(jié)論

6.1 植草護(hù)岸nw值與流量和渠底坡度分析顯示，護(hù)岸nw值隨流量增加而呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì).坡度一定，Q=0.0305m3/s時(shí)護(hù)岸nw值為最大；流量一定，S=0.025時(shí)護(hù)岸nw值為最小.在低流量時(shí)nw值變化大于高流量的結(jié)果，其受坡度的影響較大.

6.2 植草護(hù)岸nw值與D/B及VRw之關(guān)系均呈現(xiàn)遞減函數(shù)(NF<1)和遞增函數(shù)(NF>1)兩組拋物曲線；經(jīng)NF=1流態(tài)漸近線分析得，植草護(hù)岸nw值為0.0600.

6.3 由線性回歸分析得，植草護(hù)岸nw值與NF的關(guān)系函數(shù)為：

nw=0.0800NF2-0.2140NF+0.1961，有助于生態(tài)河道工程設(shè)計(jì)參考.

〔1〕姬昌輝，等.含淹沒(méi)植被明渠水位及糙率變化試驗(yàn)研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2013(1)：60-65.

〔2〕顧峰峰．濕地非淹沒(méi)蘆葦水流阻力的試驗(yàn)研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯，2005，20(2)：167-173.

〔3〕李冬，曾光明，等.植物高度非均勻性對(duì)明渠床面糙率影響的試驗(yàn)研究[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,35 (6)：67-71.

X171；TV13

A

1673-260X（2014）02-0050-02

福建工程學(xué)院科研發(fā)展基金（GY-Z09089）