生态河道中植草护岸曼宁系数的研究

董斌

（福建工程学院，福建 福州 350000）

生态河道中植草护岸曼宁系数的研究

董斌

（福建工程学院，福建 福州 350000）

以生态河道中的植草护岸为研究对象，进行玻璃水槽试验，利用分离面积法估算植草护岸的曼宁系数，推得植草护岸nw值与NF的关系函数，为生态河道的设计提供参考.

生态河道；植草护岸；曼宁系数

水生植物在国内外生态河道工程中得到广泛应用.虽然水生植物有利于美化环境、净化水质，但水生植物也增加了河道水流阻力，使流速减小、水位壅高，降低了河道的行洪能力.国外关于水生植物对水流阻力及水流结构的研究较多，M.Rightt等研究了完全淹没灌木丛所引起的河道阻力，构建了关于空间和时间基数的数学模型.M.Faith.Moghadam等研究了淹没植物状态下曼宁系数的变化规律.N.S.Cheng等通过类比植被明渠流和管流，用与植被有关的水力半径重新定义了雷诺数，得到了一个新的含有雷诺数的摩擦力函数.J.D.Shucksmith在玻璃水槽中研究了植物不同生长期对水流阻力的影响[1].顾峰峰用PVC代替芦苇，研究了芦苇在非淹没流条件下的阻力特性[2].李冬采用棕榈毛作为模拟材料，探讨了植物高度的非均匀性对水流阻力的影响[3].

上述前人的研究成果，均以河道河床水生植物为研究对象，探讨淹没或非淹没情况下，水流所受阻力的特性，估算有水生植物河道的曼宁系数.以往研究仅考虑河床平面植物的曼宁系数，尚无护岸植草和渠流阻力关系的研究.然而，实际工程中生态河道要考虑多样性的护岸，提供粗糙表面或植草护岸，塑造生态性的水域环境.护岸植草将改变原护岸的曼宁系数，曼宁系数的估算正确与否将影响到渠道实际排水量.故本文以植草护岸为研究对象，进行玻璃水槽试验，测量渠道水深、平均流速及流量等水力学参数.利用分离面积法估算植草护岸的曼宁系数，推得植草护岸nw值与NF的关系函数，为生态河道的设计提供参考.

1 矩形渠道曼宁系数的估算方法-分离面积法

将渠道断面积（AT）视为渠底面积（Ab）和渠岸面积（Aw）之和，利用已知玻璃水槽渠壁nW值代入曼宁公式，求得渠岸面积Aw，计算得渠底面积Ab=AT-AW，即可估算得渠底曼宁系数nb值.

1.1 未植草水槽试验，求得渠底的曼宁系数nb

由曼宁公式可知，

其中，V为平均流速，nb和nw分别为渠底和护岸的曼宁系数，Rb和Rw分别为渠底和护岸的水力半径，Sf为坡降.

因为Rw=Aw/2D,其中D为水深，代入（2）式求得：

又Ab=AT-AW，Rb=Ab/B,B为渠宽，代入（3）式得：

1.2 植草护岸水槽试验，估算植草护岸的曼宁系数nw

已知nb值，由式（5）得：

由（2）式可得：

2 水工试验设计

本试验水槽尺寸12米长×0.4米宽×0.6深，水槽坡度可以调节，配22千瓦循环水泵一部，水位测量依靠水位测针（精度0.01mm），流速量测依靠电子流速仪（精度0.1cm/s）.试验中的护岸植物采用塑料草代替，每块草皮20cm×20cm，塑料草一株9瓣叶片，每瓣叶片长2.5cm.

为了测量到发展完整的稳定均匀流态，试验段布置于水槽后段，距进水口7m-9.2m段（详见图1）.

图1 植草护岸水槽试验布置示意图

3 植草护岸nw值与坡度、流量的关系

植草护岸水槽试验结果如图2-图6所示.植草护岸nw值与流量之关系曲线如图2所示.由图可知，S≤0.020时，相同坡度下，护岸nw值随流量增加而先增后减的趋势，在Q=0.0305m3/s时呈现最大nw值，此状况下水草阻力为最大；而坡度较大时(S>0.020)，nw值则呈现随流量增加而渐大的趋势.

图2 护岸nw值与流量Q的关系曲线

图3 护岸nw值与坡度S的关系曲线

图3为护岸nw值与坡度S之关系曲线，在低流量时nw值变化较大，受到坡度的影响较大；而高流量时nw值变化较小，受到坡度的影响则较小.在相同流量时，护岸nw值随坡度增加而先渐增，在S=0.008-0.010之间达到最大，而后nw值呈现减小的趋势；Q≤0.0395m3/s时，护岸nw值于S=0.025时为最小，nw值在S>0.010后呈现渐减趋势略有不同，此乃低流量、大渠坡时，呈现的低水深、高流速流态，此时两侧护岸植物完全伏倒，渠道水深骤降，水流速度加快，相较于S<0.025时之nw值为小.而坡度增至S=0.030时，渠道水深再降低甚少，相较于S=0.025时的流速略为增加，故此时nw值呈现略为增大.

4 植草护岸nw值与D/B、VRW的关系

图4 曼宁系数nw与D/B的关系曲线

图5 曼宁系数nw值与VRw的关系曲线

5 曼宁系数nw值与佛洛德数NF的关系

佛洛德数NF代表渠流流态，将护岸nw值与NF综合分析，其关系曲线如图6所示.nw值与NF可由线性回归分析得单一曲线，植草护岸nw值与NF的关系函数为：

图6 植草护岸nw值与NF的关系曲线

NF=1临界流时，代入线性回归函数得nw=0.0621，与nw-D/B和nw-VRw数据分析结果nw=0.0600相当近似，此表示上述线性回归函数（式8）可有效应用于植草护岸nw值的估算.

6 结论

6.1 植草护岸nw值与流量和渠底坡度分析显示，护岸nw值随流量增加而呈现先增后减的趋势.坡度一定，Q=0.0305m3/s时护岸nw值为最大；流量一定，S=0.025时护岸nw值为最小.在低流量时nw值变化大于高流量的结果，其受坡度的影响较大.

6.2 植草护岸nw值与D/B及VRw之关系均呈现递减函数(NF<1)和递增函数(NF>1)两组抛物曲线；经NF=1流态渐近线分析得，植草护岸nw值为0.0600.

6.3 由线性回归分析得，植草护岸nw值与NF的关系函数为：

nw=0.0800NF2-0.2140NF+0.1961，有助于生态河道工程设计参考.

〔1〕姬昌辉，等.含淹没植被明渠水位及糙率变化试验研究[J].水利水运工程学报,2013(1)：60-65.

〔2〕顾峰峰．湿地非淹没芦苇水流阻力的试验研究[J].水动力学研究与进展：A辑，2005，20(2)：167-173.

〔3〕李冬，曾光明，等.植物高度非均匀性对明渠床面糙率影响的试验研究[J]．湖南大学学报(自然科学版)，2008,35 (6)：67-71.

X171；TV13

A

1673-260X（2014）02-0050-02

福建工程学院科研发展基金（GY-Z09089）