汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水流曼宁系数特征研究

为研究汶川震区滑坡堆积体土石混合坡面细沟水流曼宁系数的变化过程及其影响因素,在两级坡面(坡度为34°、36°)、三级流量(4、8、12L/min)、四种石土比(质量比为0∶1、1∶3、1∶2、1∶1)的组合条件下,进行室内放水冲刷试验。结果表明,曼宁系数n随冲刷历时呈先缓慢增大、再迅速增大、最后急速减小的变化趋势。不同石土比条件下,n平均值大小顺序为n(1∶3)>n(1∶2)>n(1∶1)>n(0∶1)。n随流量的增大而减小,但变幅不大。水深h与n呈幂函数正相关关系。雷诺数Re与n关系不显著,弗劳德数Fr与n呈显著的幂函数负相关关系。n/h与Re呈显著的幂函数负相关关系,n/h与Fr关系不显著。研究结果为建立汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀模型提供了理论依据。

风拖曳力系数和曼宁系数对风暴潮流模拟的影响

利用0205号威马逊台风期间实测风暴增水和风暴潮流数据,采用NCEP FNL和台风模型风场的融合风场作为驱动项,建立了覆盖东海的三维风暴潮流数值模型,研究风拖曳力系数和曼宁系数对风暴增水和风暴潮流的影响。计算结果表明:(1)风拖曳力系数取值应考虑随风速变化。表层风暴潮流受风拖曳力系数影响较大,中层和底层风暴潮流基本不受影响。(2)风暴潮流结构在一定程度上取决于曼宁系数;曼宁系数对中层和底层风暴潮流影响大于表层,曼宁系数越大,底摩擦阻力越大,风暴潮流垂向分层越明显。(3)风暴增水和风暴潮流对曼宁系数的响应不同,建立模型时,应同时率定风暴增水和风暴潮流。

沙波与刚性非淹没植物复合床面曼宁系数特征研究

通过室内水槽试验研究单一沙波床面、单一刚性非淹没植物床面以及沙波与刚性非淹没植物复合床面3种工况下曼宁系数与相对流速的关系。试验表明,单一沙波床面、单一刚性非淹没植物床面工况水流的曼宁系数随着相对流速的增大而增大;沙波与植物复合床面工况受沙波和植物共同的作用,由于水流结构发生变化,水流的曼宁系数随着相对流速的增大呈现先减小后增大的规律;复合床面的曼宁系数不能通过单一沙波床面和单一植物床面工况水流的曼宁系数叠加得到。

布袋莲对渠槽曼宁系数之影响

当河道布满布袋莲时,大雨来临会使得布袋莲阻塞桥墩间流水空隙,造成排水不良而危及桥梁安全及造成区域之淹水。本研究利用渠槽试验求得渠槽内覆盖布袋莲之曼宁系数,并利用HEC-RAS模式分析本试验渠槽内覆盖布袋莲对渠槽上游水位抬升之情况。本试验所求得覆盖布袋莲之渠槽曼宁系数随着流速改变,流速范围在0.76～11.65cm/s时其曼宁系数为0.026～0.416,而平均值为0.098。以渠槽试验为基准,当流量为1.91×104cm3/s及布袋莲根系长度13cm时,两者上游水位抬升约差6.46%。由研究得知布袋莲根系愈密集渠道试验与数值模拟所得结果愈接近,而且河道满布袋莲时会致使上游水位抬升。

生态河道中植草护岸曼宁系数的研究

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.

喀斯特槽谷区坡面集中水流曼宁系数变化特征

[目的]探究喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角影响下地表集中水流阻力变化特征,为该区土壤侵蚀模型构建提供科学依据。[方法]在3个坡度(10°,15°,20°),3个冲刷流量(5,7.5,10 L/min)和6个岩石与坡面夹角角度(30°,60°,90°,120°,150°,180°)组合条件下开展室内放水冲刷试验,研究喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下地表集中水流曼宁系数的变化规律及其影响因素。[结果]①地表集中水流曼宁系数n随冲刷历时呈迅速增大再缓慢增长或趋于稳定的变化趋势。不同夹角的n值大小顺序为:n 180°>n 150°>n 90°>n 30°>n 120°>n 60°。②当岩石与坡面夹角大于30°时,n与水深h显著相关,夹角为30°时,二者关系不显著;试验条件下,n与雷诺数Re关系不显著,与弗汝德数Fr呈显著幂函数负相关。③相对水深曼宁系数n/h随夹角增大呈先增后减的变化趋势。④岩石与坡面夹角大于30°时,n/h与Re均呈幂函数负相关,夹角为30°时,二者关系不显著;不同岩石与坡面夹角的n/h与Fr关系均不显著。[结论]喀斯特槽谷区坡面集中水流曼宁系数n受岩石与坡面夹角的显著影响,随夹角增大总体呈先减后增的趋势。

植草沟曼宁粗糙系数变化特征及影响因素

随着海绵城市的快速发展,植草沟得到了广泛应用。目前关于植草沟沿程流量的计算一般采用谢才公式,但其适用条件与植草沟存在显著差异,导致计算结果存在一定误差,其中曼宁粗糙系数变化是引起误差的原因之一。在假定谢才公式适用的前提下,通过足尺试验,系统研究了恒定流量、变流量进水条件下植草沟曼宁粗糙系数的变化特征,并进一步分析了植被高度对曼宁粗糙系数的影响。结果表明:植草沟沿程流量以及曼宁粗糙系数均随流动距离增加而降低;不同进水流量条件下,曼宁粗糙系数与进水流量密切相关,随进水流量增加而增加,试验条件下其最大值为0.22;另外,在植草沟不同植被高度以及不同变流量进水条件下,曼宁粗糙系数在峰值流量时刻的变化范围为0.19~0.22,试验条件下植被高度对曼宁粗糙系数影响较小。因此,植草沟的曼宁粗糙系数受沿程流量的影响较大,研究成果可以为植草沟沿程流量计算时曼宁粗糙系数的精确取值提供参考。

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。

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。

关于影响曼宁粗糙系数n值的水力因素探讨

明渠均匀流计算中,曼宁粗糙系数n值的变化规律问题长期以来就是水力学中的一个重要问题。尽管许多研究者从理论和实验等方面做了许多工作,但至今仍未能得到满意的解答。本文分析了影响n值的各种因素,并利用因次分析方法找出了它们之间的准数关系;又进一步利用实测数据整理分析得出了n和各水力要素之间的函数表达式。结果表明:佛汝德数Fr和平均水深与水力半径的比值h/R对n值的变化起着决定性的作用。

太湖水环境模型关键参数曼宁系数的水槽试验

曼宁系数是在水流计算和实际工程中应用最广泛的水流阻力系数,是河湖阻力研究中的重要方向。基于室内循环水槽,利用三维声学多普勒流速仪,研究了不同沉水植株密度和水体流速下曼宁系数的变化特性。根据摩阻力相似原理、实际曼宁系数和试验曼宁系数换算公式,计算得到不同工况下的太湖曼宁系数;并通过回归拟合,得到太湖曼宁系数与植株密度、株高和水体流速的最优拟合方程式。结果表明:当湖底植株状况一定时,太湖曼宁系数与水体流速呈明显的单调递减幂函数关系;当植株密度≤200株/m^(2),水体流速和株高一定时,太湖曼宁系数与植株密度呈单调递增关系;当水体流速与植株密度一定时,太湖曼宁系数与植株株高呈单调递增关系。通过试验模拟得到太湖实际曼宁系数,对沉积物-水界面氮磷营养盐的迁移转化研究、富营养改善及湖泊长效管理具有重要意义。

地表粗糙度及植被盖度对坡面流曼宁阻力系数的影响

为探明地表颗粒和植被共同影响下的坡面流曼宁阻力系数变化规律,在5°缓坡定床条件下,以曼宁阻力系数表征坡面流阻力,利用等效水力半径计算等效曼宁阻力系数,等效水力半径考虑了水流与植被的接触面,分别研究了4个地表粗糙度(0.009,0.12,0.18,0.38 mm)和4个植被盖度(0,4.0%,6.6%,12.2%)在9个单宽流量(0.2×10^-3~0.5×10^-3m^3/(m·s))冲刷下的坡面综合等效曼宁阻力系数、颗粒等效曼宁阻力系数及植被等效曼宁阻力系数的变化特征及相互之间的关系。结果表明:1)在坡面没有植被时,坡面综合等效曼宁阻力系数与流量呈负相关,当坡面有模拟植被时,两者间呈正相关。坡面综合等效曼宁阻力系数随着地表粗糙度和植被盖度的增加而增加;2)当地表粗糙度和模拟植被存在的坡面,线性叠加原理不适用于坡面综合阻力的计算,在水深较小时,会出现附加阻力。附加等效曼宁阻力系数与粗糙度和盖度呈正相关,而与水深负相关;3)通过多元回归分析得到坡面综合等效曼宁阻力系数的计算式,模拟效果较好(相关系数R=0.98),并分析得到各阻力分项等效曼宁阻力系数的计算式。分别剔除各阻力分项后将相关系数比较,植被阻力对坡面流综合阻力的影响最大,颗粒阻力次之,而附加阻力最小。研究成果将为构建坡面侵蚀模型和防治坡面侵蚀提供科学依据。

长江口动量系数分布特征研究

基于长江口1996年3月和9月共23个测点实测水流资料,计算了动量系数的时空变化,并应用线性回归法,计算了特征时间段内的平均动量系数,获得了长江口动量系数时空分布的基本特征:时间上,涨潮大于落潮,洪季大于枯季,而大、中、小潮则依次递增;空间上,自口外向口内,北支呈逐渐增大,而南支呈先增大后减小、口门附近最大的基本特征。由动量系数分析了潮流的摩阻特性,为数值模拟合理选取曼宁系数提供参考。

浅水方程模拟中确定糙率的回归系数法

基于水流模拟本身就是模拟模型回归求真(即实体原型)过程的认识,从模拟模型和实体原型之间的相关关系出发,应用统计学中的线性回归分析方法,通过回归系数建立了模型与原型糙率系数之间的关系式,提出了二维浅水方程模拟中糙率确定的回归系数法。数值试验表明,该方法并不依赖于糙率系数的初值,具有稳定性好、收敛速度快的特点;对磨刀门水道水流的数值模拟应用显示,该方法能有效地改善模拟计算的精度,具有较好的适应能力,简便实用,为二维浅水流动模拟计算时率定糙率系数提供了一种有效途径。

不同覆盖度条件坡面水流阻力规律

为探明植被覆盖条件下坡面水流阻力特性,以流体力学和水力学基本理论为依据,通过6个坡度、7个流量和5种覆盖度组合条件下室内放水试验,系统研究了植被覆盖条件下坡面水流阻力的特征。结果表明:坡面植被水流曼宁系数随水深、雷诺数、坡度的变化与植被覆盖度密切相关,当植被覆盖度较高时,曼宁系数随水深、雷诺数的增加而增大,随坡度的增加而减小;相反,当覆盖度较低时,曼宁系数随水深、雷诺数的增大而减小,坡度对曼宁系数的影响逐渐减小;各试验工况下,曼宁系数随弗汝德数的增大呈单调递减趋势,增加最终都趋近于稳定值。

秸秆覆盖对干湿态红壤坡面流水力学参数的影响

秸秆覆盖对地表径流的水力学参数有重要影响。在江西省余江县中国科学院红壤生态实验站附近的坡耕地,利用人工模拟降雨研究秸秆覆盖对坡耕地干湿态红壤地表径流水力学参数的影响。结果表明,有无秸秆覆盖对土壤地表径流速度和曼宁系数影响明显：1）0~30%覆盖度之间,流速随着覆盖度的增大迅速降低,而曼宁系数随着覆盖度的增大迅速增大;30%~90%覆盖度之间,流速随着覆盖度的增大降低缓慢,但曼宁系数随覆盖度增大而在高位小幅振荡。2）在同一覆盖度下,湿态土壤流速比干态土壤流速大,在0、15%和30%覆盖度时,这种现象较为明显,当覆盖度大于30%时,这种现象不明显;在0~30%覆盖度范围内,干态土壤曼宁系数比湿态土壤大;在30%~90%覆盖度范围内,干态土壤曼宁系数比湿态土壤小。3）30%覆盖度秸秆覆盖可以有效降低地表径流流速,增大地表糙率。从经济实用和水土保持效果来看,30%的秸秆覆盖是该区农地水土保持的最佳选择。

紫色土坡地径流退水过程与地表糙率试验研究

径流退水过程是降雨产流过程的重要组成部分。通过人工模拟降雨试验,分析了紫色土坡地的退水过程。(1)坡度和雨强对退水流量有显著影响,退水流量随雨强的增加而增加,随坡度的增大而减小。坡度和雨强对退水历时无明显影响。(2)不同地表处理下,退水流量和历时差异显著。顺坡垄作退水过程最短,退水流量最小;裸地退水历时较长,退水流量较大;平作退水历时最长,但是退水流量小于裸地。(3)利用退水曲线法计算了紫色土坡耕地曼宁系数。不同地表处理下曼宁系数的大小为:裸地(0.028)<顺坡垄作(0.065)<平作(0.071)。

基于水动力的植被消长模型及河道植被演替模拟

针对植被斑块在河道中的演替规律,建立了概化河道下的植被斑块消长模型。该模型以二维浅水方程组为控制方程,采用有限体积法离散求解水动力参数,利用等效曼宁系数法概化植被影响,定义床面剪切力小于阈值区域为新植被生长区,大于阈值区域为植被消亡区。考虑植被阻力对水流的影响以及床面切力对植被消长的影响,建立了植被消长与水动力过程相耦合的数学模型,模拟了不同条件下的植被区演替过程,模拟过程中重点考虑了两个床面剪切力阈值和两个初始植被密度工况。计算结果表明:植被斑块在河道内的演变通常是由块状向条带状发展,较高的剪切力阈值将产生更大的最终植被面积;当剪切力阈值系数为0.5时,最终植被面积占河道总面积的比值为47%~49%;当剪切力阈值系数为0.7时,最终植被面积占比为58%~60%;不同的初始植被分布并不会对最终植被面积产生显著影响,但较大的初始植被密度会加快植被的初始生长速率,使植被面积更快达到基本稳定水平。