含植物河流动力学实验研究—流速、摩阻流速及曼宁糙率系数垂线分布

根据实验室水生植物水槽中71个断面上的点流速及水深、流量和水生植物密度,分析了:1)流速垂线分布;2)相对摩阻流速的垂线分布;3)曼宁糙率系数的垂线分布规律及水生植物密度对它们的影响。结果表明:1)含植物河流中的流速垂线分布呈三区,从下至上分别为冠层区、过渡区和冠层以上区;2)相对摩阻流速垂线分布受水槽底边壁、植物和自由水面的影响,在三个区内各不相同;3)曼宁糙率系数的垂线分布呈倒"S"形。同时,本文归纳出含植物河流流速垂线分布经验公式,该公式可进一步运用到实际河流中。

田间曼宁糙率系数的推求

曼宁糙率系数是描述地表水流运动的重要参数之一，但目前对于特定地块表面糙率的确定尚没有一种理想的方法。本文提出了一种根据田间水流推进资料来计算曼宁糙率的新方法。该方法以水量平衡原理为基础，用迭代法求解。经在不同地区、不同土壤类型和地面状况的田间观测数据验证，结果令人满意。

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。

确定坡面径流过程曼宁糙率系数的实验方法研究

曼宁糙率系数是用水动力学方法进行流速计算的关键参数。坡面流曼宁糙率系数与明渠流的不同。为确定坡面径流过程的曼宁糙率系数,自行研发了一种包括供水系统、实验水槽和数据观测记录系统的室内可变糙率坡面实验系统。通过87场预实验验证了供水系统的稳定性和准确性。以坡度、实测流量、实测水深、不同糙率板上河砂的平均直径和地表粗糙度为自变量,以曼宁糙率系数为因变量,选用均方根误差(RMSE)和决定系数(R^2)为评价指标,对166种实验场景进行了支持向量机(Support Vector Machines, SVM)训练与预测,发现:①紊流的训练结果难以预测层流和过渡流的曼宁糙率系数,说明流态不同时,实验因素对水流的影响机制不同;②若要较为准确地预测曼宁糙率系数,至少需要包括实测水深在内的3种因素;③当同时考虑4种及更多种因素时,紊流状态下均可对曼宁糙率系数进行较为准确的预测。

含植物河道曼宁阻力系数的研究

含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁,传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则,首次提出了一系列等效水力参数的概念,建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式,并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进行水槽试验,对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论,并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性,因此具有普遍的应用价值,可以用来进行实际工程中糙率的计算。

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.

陆面—水文耦合模式的参数率定及改进研究

基于淮河流域的地形、岩石地质类型等空间分布特征，对陆面—水文耦合模式CLHMS1.0（Coupled Land Surface？Hydrological Model version 1.0）的河道曼宁糙率系数、水力传导度两个关键参数进行了率定；在此基础上，通过基于CLHMS1.0的多组敏感性试验，分析了河道曼宁糙率系数、水力传导度对CLHMS1.0模拟淮河流域水文过程的影响。研究结果表明，淮河流域上游王家坝子流域曼宁糙率系数的减小，可以显著提高模式对王家坝水文控制站上游模拟的水流流速，减小了模式对王家坝洪峰来临时间模拟偏迟的误差；依据淮河不同子流域的岩石地质类型选定更为合理的水力传导度参数后，模式对淮河流域河道流量等水文过程的模拟更为准确。利用参数率定后的CLHMS1.0对淮河流域1980～1987年逐日水文过程进行了模拟，与观测实况比较结果表明，采用了新的河道曼宁糙率系数和水力传导度参数后，模式对淮河流域逐日水文过程的模拟能力显著提高，且可以更合理地模拟出地表产流和地下水补给对流域河道流量的相对贡献。

含植物河道水动力学研究进展

提出了基于河道管理、河流修复与水资源可持续发展的含植物明渠水动力学研究理念,强调了含植物明渠水动力学研究的重要意义。从含植物水流的时均阻力特性、紊流机理的物理模型试验研究及数值模拟计算研究等几方面,深入介绍了国内外关于含植物明渠水动力学研究进展。指出:必须进一步解决对柔性植物枝叶形状及柔韧度的相似模拟;建立柔性植物的刚度、水流特性及阻力特性之间的定量规律;进一步研究含植物水流各向异性的紊流特性;发展更为精细的大涡数值模型来研究水深较大的复杂的各向异性紊流等有待于深入探讨的问题。

植被护坡抗冲模型试验方法与装置研究

基于模型和原体草皮冲刷破坏时床面切应力和摩阻流速应该相等原理,研制了一套可用于模拟实际河道中的大流速冲刷水流,并测定冲刷过程中植被水力学参数的试验装置.理论分析表明,水槽设计高度对植被区的床面切应力值不存在主导性影响.试验测得的有机玻璃水槽和草皮表面曼宁糙率系数值,以及试验土壤起动流速结果证明所设计的试验装置和方法是合理可行的.在此基础上进行了植被护坡抗冲模型试验,得出了草皮护坡破坏的临界水流条件.

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。

南水北调长距离调水中渠首所需水头的探讨

南水北调中线总干渠全长约1270km,主要由明渠、倒虹吸、隧洞、涵洞和暗渠组成,总计沿线布置各类交叉建筑物1715座,不管是沿程水头损失还是水流经过各建筑物的局部水头损失大小,经统计都相当可观。针对该问题,对沿程糙率和局部水头损失系数的取值大小进行了变更比较。计算表明,各值在一定范围变化时,陶岔渠首的水位受局部水头损失系数取值变化影响很小,主要取决于沿程糙率的大小。此处给出了渠首水位随糙率变化的过程,并得到渠首水位随糙率的变化拟合公式。且表明各建筑物对水位的影响主要集中在所在位置的局部段。

管道阻力参数检测实验研究

在配有专业设备的水工水力学试验厅内,安装厂家提供的待检测管材,进行了管道内壁阻力系数实验研究。按照水工常规模型试验规程要求,对管材进行水力学检测试验,并根据管道水力学理论得出被检测管材当量粗糙度、沿程阻力系数、海曾—威廉系数、曼宁糙率系数等管道水流阻力特性参数。为该管材在管道流体输运工业中的应用提供科学依据。

考虑浆体黏度的泥石流流速计算方法

泥石流浆体黏度通过影响泥石流内、外部的阻力特征影响泥石流的糙率系数,泥石流糙率系数与浆体黏度之间的关系还没有基于观测数据的定量表述。通过对云南东川蒋家沟泥石流观测资料的分析,研究泥石流糙率系数与浆体黏度之间的关系,并通过回归分析得到考虑浆体黏度的泥石流糙率系数计算公式,最后基于此构建了考虑浆体黏度的泥石流流速计算公式。结果表明,随着泥石流浆体黏度的增加,泥石流糙率系数逐渐增加,浆体黏度在宏观上表现为增阻作用,考虑浆体黏度的泥石流流速计算公式改进了现有公式在计算浆体黏度较高的泥石流流速中的不足。研究结果可为进一步研究浆体黏度对泥石流运动阻力的影响提供参考,也为工程实践中的流速计算和增阻消能设计提供新的思路。