本發(fā)明涉及一種基于恒定非均勻流的河道曼寧糙率的測(cè)定方法，是一種水工測(cè)定方法，是一種用于河道設(shè)計(jì)和原型觀測(cè)的水工方法。

背景技術(shù)：

糙率是河道斷面的粗糙程度和邊壁形狀不規(guī)則的綜合表征，也是表達(dá)水流經(jīng)過河道所受阻力的綜合系數(shù)，反映了河道工程的設(shè)計(jì)、施工、管理水平。糙率是決定河道防洪能力的重要參數(shù)，實(shí)際糙率與設(shè)計(jì)糙率的微小偏差，將對(duì)河道治理工程造價(jià)及日后運(yùn)行管理產(chǎn)生重大影響。通過原型觀測(cè)準(zhǔn)確測(cè)定河道的真實(shí)糙率，一方面可為復(fù)核河道的實(shí)際過流能力提供參數(shù)；另一方面，通過積累糙率成果，為后續(xù)同類型河道防洪設(shè)計(jì)、施工與管理提供經(jīng)驗(yàn)。

以往對(duì)河道糙率的測(cè)定都是基于恒定均勻流，采用曼寧糙率公式獲得。而實(shí)際上由于水生植物群落分布不均、沿途橋梁的阻水影響、河流斷面的不斷變化和河勢(shì)的蜿蜒，天然河流很難形成均勻流，一般為恒定非均勻流狀態(tài)。按照均勻流方法測(cè)定河道曼寧糙率，其結(jié)果必定會(huì)存在一定偏差和局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種基于恒定非均勻流的河道曼寧糙率的測(cè)定方法。所述的方法根據(jù)實(shí)際河道的恒定非均勻流條件，通過受力分析，提出一種基于恒定非均勻流的河道曼寧糙率測(cè)定方法。得到的河道曼寧糙率系數(shù)計(jì)算公式更符合河道水流的實(shí)際情況，得到的曼寧糙率測(cè)定結(jié)果更為精確。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于恒定非均勻流的河道曼寧糙率的測(cè)定方法，所述方法的步驟如下：

設(shè)定約束條件的步驟：用于設(shè)定一段生長柔性水生植物的矩形渠道，沿流向取兩個(gè)過水?dāng)嗝嬷g長度為L的水體為控制體，建立直角坐標(biāo)系，x為沿流向方向，y為橫向，z為鉛垂方向，沿x方向滿足動(dòng)量定理，建立動(dòng)量公式：

P₁+F_G-F_Vad-F₀-P₂＝ρQ(U₂-U₁)

式中：P₁、P₂為控制體上下游過水?dāng)嗝嫠軇?dòng)水作用力；F_G為控制體所受重力沿x方向的分量；F_Vad為控制體所受的植物附加阻力；F₀為無植物時(shí)原河床阻力；ρ為水體密度；Q為流量；h₁、h₂和U₁、U₂分別為控制體上下游過水?dāng)嗝娴乃詈推骄魉伲?/p>

計(jì)算控制體沿流向的重力分量的步驟：用于通過公式：

計(jì)算控制水體所受重力沿流向x的分量F_G，式中：i為水槽底坡；B為水槽寬度；L為控制體長度；V_V為單株植物的排開水體的體積；M為單位面積內(nèi)植物株數(shù)；

計(jì)算控制體上下游過水?dāng)嗝嫠軇?dòng)水作用力的步驟：用于使用公式：

分別按靜水壓力分布計(jì)算上下游過水?dāng)嗝嫠軇?dòng)水作用力P₁和P₂；

計(jì)算過水?dāng)嗝鏉裰艿牟襟E：用于通過公式：

χ＝B+2h

計(jì)算過水?dāng)嗝鏉裰埽?/p>

計(jì)算綜合阻力的步驟：用于利用公式：

F_V＝τ_VχL

計(jì)算控制體所受植物及原水槽影響的綜合阻力F_V，式中：τ_V為水槽內(nèi)水生植物及原水槽邊界引起的綜合剪應(yīng)力；

建立動(dòng)量方程的步驟：用于將

F_V＝τ_VχL

帶入動(dòng)量公式，即得動(dòng)量方程：

解出綜合曼寧糙率的步驟：用于聯(lián)立公式：

τ_V＝ρgRJ

求解上述聯(lián)立公式，可得：

式中，n_V為基于恒定非均勻流條件得到的水槽綜合曼寧糙率、τ_V為水槽內(nèi)水生植物及原水槽邊界引起的綜合剪應(yīng)力、g為重力加速度、R控制體的平均水力半徑、U為平均流速、J為水面的水力坡度。

一種使用上述方法的結(jié)論測(cè)定河道曼寧糙率的方法，所述方法的步驟如下：

實(shí)地測(cè)量河道的步驟：用于選定需要測(cè)定曼寧糙率的河段進(jìn)行水力學(xué)測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括：河道流量Q、河道底坡i、水面寬度B、河段長度L、施測(cè)河段首斷面和末斷面的水深h₁、h₂、施測(cè)河段首斷面和末斷面的平均流速U₁、U₂；

計(jì)算濕周和水力半徑的步驟：用于根據(jù)施測(cè)河段首斷面和末斷面的水深、河道斷面尺寸計(jì)算平均過水?dāng)嗝鏉裰堞趾退Π霃絉；

實(shí)地測(cè)量植物的步驟：用于對(duì)施測(cè)河段的水生植被進(jìn)行采樣測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括：?jiǎn)沃曛参锏呐砰_水體的體積V_V、單位面積內(nèi)植物株數(shù)M；

計(jì)算綜合剪應(yīng)力度步驟：用于根據(jù)公式：

計(jì)算河道內(nèi)水生植物及原河床邊界引起的綜合剪應(yīng)力；

計(jì)算曼寧糙率的步驟：用于根據(jù)公式：

計(jì)算得到恒定非均勻流狀態(tài)下的河道綜合曼寧糙率n_V。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明通過理論分析提出的恒定非均勻流條件下天然河道綜合曼寧糙率測(cè)定方法，全面考慮了水流所受的各項(xiàng)阻力，如河道床面邊界阻力和植物附加阻力，充分考慮了天然河道水流的非均勻流特性，使得河道曼寧糙率的測(cè)定結(jié)果更符合真實(shí)情況，根據(jù)這種理論所測(cè)定的曼寧糙率更加精確，更加符合實(shí)際設(shè)計(jì)的需要。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述含淹沒柔性植物明渠恒定非均勻水流受力分析示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

本實(shí)施例是一種基于恒定非均勻流的河道曼寧糙率的計(jì)算方法。實(shí)施河流生態(tài)治理需要用到不同的水生植物，但是不同種類的水生植物對(duì)河道阻力的影響是不同的，當(dāng)前的工程界還沒有含水生植物河道糙率的數(shù)據(jù)積累，往往需要通過實(shí)驗(yàn)室水槽試驗(yàn)對(duì)不同種類植被的斷面曼寧糙率進(jìn)行測(cè)量。但是當(dāng)前計(jì)算糙率的公式是曼寧公式(見公式1)，其原理是基于恒定均勻流的。

式中：C為謝才系數(shù)，Q為流量；A為過水?dāng)嗝婷娣e；R為過水?dāng)嗝娴乃Π霃?；i為水槽底坡。

因此在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定含植物水流曼寧糙率時(shí)必須采用可變底坡的水槽來人為制造出均勻流。但是目前我國各大水工實(shí)驗(yàn)室中可變底坡的水槽還不多，更多的是不可變底坡的水槽，試驗(yàn)水流多為非均勻流，使得糙率試驗(yàn)難以在恒定均勻流條件下順利開展。在非均勻條件下測(cè)定出的糙率與均勻流情況相比存在較大偏差。

本實(shí)施例所述“曼寧糙率”是“曼寧糙率系數(shù)”的簡(jiǎn)稱。

為此本實(shí)施例提出了一種分析和計(jì)算含水生植物斷面曼寧糙率的試驗(yàn)測(cè)算方法，利用該方法可以在不可變坡水槽的非均勻流條件下計(jì)算出準(zhǔn)確的曼寧糙率值，由于均勻流是非均勻流的一種特例，因此該方法同樣適用于均勻流條件下的曼寧糙率測(cè)算，方法如下：

假定一段矩形水槽底部鋪上待測(cè)的水生植物，沿流向取兩個(gè)過水?dāng)嗝嬷g長度為L的水體為控制體，建立直角坐標(biāo)系，x為沿流向方向，y為橫向，z為鉛垂方向。則控制體所受外力如圖1所示，沿x方向滿足動(dòng)量定理：

P₁+F_G-F_Vad-F₀-P₂＝ρQ(U₂-U₁) (2)

式中：P₁、P₂為控制體上下游過水?dāng)嗝嫠軇?dòng)水作用力；F_G為控制體所受重力沿x方向的分量；F_Vad為控制體所受的植物附加阻力；F₀為無植物時(shí)原河床阻力；ρ為水體密度；Q為流量；h₁、h₂和U₁、U₂分別為控制體上下游過水?dāng)嗝娴乃詈推骄魉佟?/p>

1、控制體沿流向的重力分量F_G

由于水槽的水深是沿程變化的，設(shè)植物段水流水深只是流程的函數(shù)取植物段內(nèi)長度為dx的微元水體，水深為h(x)，考慮水生植物所占水體體積，則微元水體所受重力分量為：dF_G＝ρgi[Bh(x)dx-V_VMBd(x)]，對(duì)整個(gè)控制體進(jìn)行積分，則控制水體所受重力沿流向x的分量為：

式中：i為水槽底坡；B為水槽水面寬度；L為控制體長度；V_V為單株植物的排開水體的體積；M為單位面積內(nèi)植物株數(shù)，即BLV_VM為控制體內(nèi)植物所占水體的總體積。

在較短的植物段內(nèi)水深沿流程基本呈線性變化，則假設(shè)代入式(3)，得：

2、上下游過水?dāng)嗝嫠軇?dòng)水作用力P₁和P₂分別按靜水壓力分布考慮，則：

3、控制體所受植物及原水槽壁面影響的綜合阻力F_V為植物附加阻力F_Vad和無植物時(shí)原水槽壁面阻力F₀之和，即：

F_V＝F_Vad+F₀＝(τ_Vad+τ₀)χL (6)

亦即F_V＝τ_VχL (7)

式中：τ_V、τ_Vad、τ₀分別為水槽內(nèi)水生植物及原水槽邊界引起的綜合剪應(yīng)力、植物附加阻力和無植物時(shí)原水槽壁面的阻力；χ為過水?dāng)嗝鏉裰堋?/p>

將式(4)、(5)和(7)帶入動(dòng)量方程(2)，即得：

將過水?dāng)嗝鏉裰堞郑紹+2h帶入式(8)，可計(jì)算得τ_V值。

又因?yàn)棣?sub>V＝ρgRJ (9)

聯(lián)立式(8)、(9)和(10)可得：

式中，n_V為基于恒定非均勻流條件得到的含植物壁面的綜合曼寧糙率；τ_V為水槽內(nèi)水生植物及原水槽邊界引起的綜合剪應(yīng)力，可由式(8)求得；g為重力加速度；R、U為控制體的平均水力半徑、平均流速。

這樣通過公式(8)和公式(11)可以計(jì)算得到恒定非均勻流條件下含水生植物壁面的曼寧糙率。

實(shí)施例二：

本實(shí)施例是一種使用實(shí)施例一所述方法的結(jié)論測(cè)定河道曼寧糙率的方法。

以往對(duì)河道曼寧糙率的計(jì)算都是基于恒定均勻流，采用曼寧糙率公式獲得。

式中：C為謝才系數(shù)，Q為流量；A為過水?dāng)嗝婷娣e；R為過水?dāng)嗝娴乃Π霃?；i為河道底坡。

但由于水生植物以及橋梁的存在、且河道斷面寬窄不一，河道水流一般都是非均勻流，實(shí)際河道的復(fù)雜性致使依據(jù)上述恒定均勻流公式計(jì)算得到的河道曼寧糙率會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。

在實(shí)際生態(tài)河道修復(fù)工程中，在實(shí)施水力學(xué)觀測(cè)之后，按公式(8)和(11)可對(duì)恒定非均勻流條件下的天然河道綜合曼寧糙率進(jìn)行計(jì)算，具體可按以下步驟進(jìn)行：

(1)首先對(duì)需要測(cè)定曼寧糙率的河段就行水力學(xué)測(cè)量。測(cè)量?jī)?nèi)容包括：河道流量Q；河道底坡i；水面寬度B；河段長度L；施測(cè)河段首斷面和末斷面的水深h₁、h₂；施測(cè)河段首斷面和末斷面的平均流速U₁、U₂。

(2)根據(jù)施測(cè)河段首斷面和末斷面的水深、河道斷面尺寸計(jì)算平均過水?dāng)嗝鏉裰堞趾退Π霃絉。

(3)對(duì)施測(cè)河段的水生植被進(jìn)行采樣測(cè)量，測(cè)量?jī)?nèi)容包括：?jiǎn)沃曛参锏呐砰_水體的體積V_V；單位面積內(nèi)植物株數(shù)M。

(4)將上述測(cè)量數(shù)據(jù)代入公式：

計(jì)算得到天然河道綜合曼寧糙率n_V。

最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案(比如各種數(shù)據(jù)的獲取方式、步驟的先后順序等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。