生態(tài)溝渠淹沒剛性植被局部水頭損失系數(shù)研究

張昱 劉超 吳文娟 黃嘉秋

摘要：在生態(tài)溝渠的過流能力和斷面尺寸設(shè)計(jì)中，斷面阻水特性以及平均流速是非常重要的因素。以往的研究多基于力學(xué)平衡方程，但往往僅考慮了植被的阻水作用而忽略了溝渠邊壁及底板的阻水作用。從能量方程角度，將植被引起的水頭損失看作局部水頭損失，把邊壁和底板引起的水頭損失看作沿程水頭損失，對含剛性植被矩形水槽試驗(yàn)資料進(jìn)行多元回歸分析，得到了剛性植被局部水頭損失系數(shù)ε的經(jīng)驗(yàn)公式和斷面平均流速v的計(jì)算公式，經(jīng)試驗(yàn)資料驗(yàn)證，并與通過植被阻力系數(shù)C推求的流速相關(guān)公式對比，得出本文提出的剛性植被局部水頭損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式和含剛性植被矩形生態(tài)溝渠斷面平均流速計(jì)算公式計(jì)算的精確度較高，可為生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：生態(tài)溝渠：淹沒剛性植被;局部水頭損失系數(shù);平均流速

中圖分類號：TV641.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.02.017

生態(tài)溝渠凈化技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種因地制宜，運(yùn)行和建設(shè)費(fèi)用低的高效污水處理技術(shù)，已被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染、生活污水等污染防治領(lǐng)域[1]。生態(tài)溝渠中的植物對氮、磷的吸附有著重要作用[2]，但受植物阻水作用影響，渠道內(nèi)水流流速減小，水面壅高，影響過流能力[3].因此確定生態(tài)溝渠植被對水流的影響具有重要意義。在生態(tài)溝渠設(shè)計(jì)過程中，溝渠內(nèi)流量與流速的確定尤其重要，對于某一溝渠，為了計(jì)算其流速和流量，一般從3個方面人手，即曼寧糙率系數(shù)n、Darcy -Weisbach系數(shù)f和植物阻力系數(shù)C，學(xué)者們在這3個方面進(jìn)行了很多研究：Petryk等[4]基于均勻流受力平衡方程和Manning方程提出了含植物河道曼寧糙率系數(shù)n的估算公式，在此基礎(chǔ)上，通過曼寧公式直接估算生態(tài)溝渠內(nèi)的流速和流量：馮繽予等[5]對不同間距、不同高度浮簾群在不同恒定均勻明渠流中的阻力特性開展了水槽試驗(yàn)，討論了Darcy - Weisbach系數(shù)f的影響因素;王協(xié)康等[6]研究發(fā)現(xiàn)坡面水流Darcy-Weisbach系數(shù)f與雷諾數(shù)成冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性隨坡度的增大而減弱：許多研究成果表明[7-12]，植被阻力系數(shù)C與雷諾數(shù)、植被密度、淹沒度等參數(shù)有關(guān)，且得到了C計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。然而，這些研究大多忽略了溝渠邊壁的影響，力學(xué)平衡方程中沒有考慮邊壁的阻力作用。

從能量方程出發(fā)，將生態(tài)溝渠中每一棵植被引起的水頭損失看作局部水頭損失，邊壁和底板引起的水頭損失看作沿程水頭損失，定量研究單棵植被局部水頭損失系數(shù)，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究中忽略渠道邊壁和底板因素影響的問題，同時對于植被狀況不一樣的情況，相對于Darcy-Weisbach系數(shù)能更好地反映每棵植被直徑、高度等參數(shù)變化對水流阻力的影響。目前來說，很少有論文從此方面定量研究局部水頭損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，多為定性研究局部水頭損失系數(shù)隨流量變化的規(guī)律，如李海波等[13]發(fā)現(xiàn)局部水頭損失系數(shù)隨流量的增大而減小，王協(xié)康等[6]發(fā)現(xiàn)在植被尾部和水躍段局部水頭損失系數(shù)與單寬流量的關(guān)系分別為二次曲線及指數(shù)衰減趨勢。

本文通過試驗(yàn)測量水槽內(nèi)水深、流量和流速，并系統(tǒng)收集國內(nèi)外含剛性植被矩形水槽試驗(yàn)資料，通過能量方程的途徑，將邊壁及底板對水流的影響看作沿程水頭損失，把植物阻水作用看作局部水頭損失，通過回歸分析提出了植被引起的局部水頭損失系數(shù)ε的計(jì)算公式，在此基礎(chǔ)上，得到含剛性植被矩形溝渠的流速計(jì)算公式。該計(jì)算公式流速計(jì)算結(jié)果與根據(jù)Cd推求的流速公式計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，該計(jì)算方法精確度較高。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括動力裝置（水泵）、供水管道、調(diào)節(jié)閘門、上游整流段穩(wěn)水箱、矩形水槽、下游尾水箱（包括閘門）、蓄水池、三角形量水堰和回水系統(tǒng)等，見圖1。試驗(yàn)水槽總長14. 00 m，寬0.30 m，坡度為0.861%.整個水槽長度方向都鋪滿植被。具體鋪設(shè)方式為從距離水槽出口0.1 m處開始布置玻璃棒，玻璃棒垂直于水流方向的間距Sy為0.05 m.順?biāo)鞣较虻拈g距S為0.20 m，見圖2。為了方便固定植物，在水槽槽底鋪設(shè)了按試驗(yàn)需求鉆好小孔的厚0.008 m的PVC板，小孔直徑與植被的直徑一致，均為0.006 m。除去PVC板自身的厚度，玻璃棒凈高16 cm。

試驗(yàn)測量的主要數(shù)據(jù)為水深和流速，水深采用波高儀測量，流速采用ADV流速測量儀測量，兩個測量斷面設(shè)置在距進(jìn)水口7.3 m的植被前后各0.05 m處，測量上半部分3株植被前后斷面的流速與水深。流量根據(jù)三角堰來控制，試驗(yàn)流量分別控制為50、40、30、21 L/s。經(jīng)檢驗(yàn)，該水流處于阻力平方區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2 理論分析

含淹沒剛性植被生態(tài)溝渠示意見圖3.當(dāng)植被區(qū)水流為均勻流時，根據(jù)均勻流的定義，沿程水深不發(fā)生變化，流速也保持不變，植被與邊壁引起的水頭損失與植被區(qū)長度和坡度的乘積相等，能量平衡方程為

根據(jù)式（7），結(jié)合水槽試驗(yàn)資料，計(jì)算得到不同工況下的ε值。同時通過局部水頭損失系數(shù)ε計(jì)算得出溝渠平均流速：

3 局部水頭損失系數(shù)

3.1 局部水頭損失系數(shù)計(jì)算公式

由于每棵植株局部水頭損失系數(shù)ε無法直接求得，因此采用間接法，利用能量平衡方程與多元回歸分析對本試驗(yàn)以及文獻(xiàn)[14 -22]共232組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)證，所有工況下的水流均處于阻力平方區(qū)，并得到了ε的經(jīng)驗(yàn)公式，為通過能量方程途徑計(jì)算生態(tài)溝渠中水流流速與水頭損失提供了一種新思路。

共收集了243組剛性植被矩形水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2）.其中220組和本文12組數(shù)據(jù)用來對ε的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，表2中其他23組數(shù)據(jù)用來驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性以及進(jìn)行流速對比。

根據(jù)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，局部水頭損失系數(shù)ε與植被阻水面積系數(shù)dh/（Bh）為二次函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性很高，因此阻水面積系數(shù)為影響局部水頭損失系數(shù)的主要因素。根據(jù)232組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從無量綱參數(shù)dh/（Bh）出發(fā)，采用多元回歸分析方法，得到ε值計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：其中關(guān)聯(lián)系數(shù)為0.818，相關(guān)性較高。

該公式中，定義β= dh/Bh，即ε為關(guān)于盧的二次函數(shù)。在生態(tài)溝渠設(shè)計(jì)中，若知道淹沒植被的直徑和高度，則可通過該公式推求植被的局部水頭損失系數(shù)，從而為生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)提供參考。

3.2 公式驗(yàn)證

為了驗(yàn)證式（9）的合理性，采用文獻(xiàn)[14]的23組淹沒剛性植被水槽試驗(yàn)資料進(jìn)行驗(yàn)證。對于驗(yàn)證的23組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用式（9）計(jì)算出的局部水頭損失系數(shù)ε與用式（7）計(jì)算出的局部水頭損失系數(shù)（理論值）ε關(guān)系見圖4.由圖4可以看出，局部水頭損失系數(shù)計(jì)算值與理論值較為接近，表明本文提出的ε經(jīng)驗(yàn)公式較為合理。

4 流速計(jì)算公式比較

根據(jù)式（9）可得到植被局部水頭損失系數(shù)，帶入式（8）可計(jì)算溝渠斷面平均流速。為了驗(yàn)證式（8）平均流速計(jì)算公式的精確度，收集了以往代表性生態(tài)溝渠平均流速計(jì)算公式并與之進(jìn)行對比分析。

采用文獻(xiàn)[14]的23組淹沒剛性植被水槽試驗(yàn)資料對本文提出的平均流速計(jì)算公式和上述3個公式進(jìn)行驗(yàn)證對比，各公式計(jì)算的平均流速為預(yù)測值，由試驗(yàn)測試的流量、水深計(jì)算出的平均流速為計(jì)算值，各公式平均流速預(yù)測值與計(jì)算值關(guān)系見圖5（圖中斜線為1：1線）。

相對誤差平均值越小，表明計(jì)算公式的精確度越高;均方根誤差越小，表明各個相對誤差的離散程度越低，一致性越高。各公式平均流速相對誤差平均值、均方根誤差計(jì)算結(jié)果見表3。4個計(jì)算公式的相對誤差和均方根誤差都不大，其中：Fredrik等提出的平均流速公式的平均相對誤差與均方根誤差最小，分別為14.49%和7.45%：本文平均流速公式的平均相對誤差與均方根誤差也較為接近，分別為16.99%與11.16%.表明本文提出的平均流速公式在計(jì)算時有較好的精確度。

5 結(jié)論

從能量方程角度出發(fā)，根據(jù)局部水頭損失思想，對本試驗(yàn)以及已有的共232組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析及線性擬合，得到植被局部水頭損失系數(shù)ε的經(jīng)驗(yàn)公式，并用另外23組數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了該公式計(jì)算結(jié)果精確度較高?；诘玫降木植克^損失系數(shù)ε經(jīng)驗(yàn)公式，得到了含淹沒剛性植被矩形生態(tài)溝渠的斷面平均流速計(jì)算公式，并與現(xiàn)有通過植被阻力系數(shù)Cd得到的平均流速公式進(jìn)行對比，結(jié)果表明該公式有較高的計(jì)算精確度，平均相對誤差為16.99%，可為生態(tài)溝渠的設(shè)計(jì)提供參考。

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