沙波與剛性非淹沒植物復(fù)合床面曼寧系數(shù)特征研究

葉志恒,羅 岸,付 波,陸漢柱

(廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635)

1 概述

水生植物廣泛存在于濕地、江心洲以及淺水區(qū)域。河流中的水生植物可吸附水中的污染物，在凈化水質(zhì)方面發(fā)揮著重要作用，但水生植物的存在改變了水流結(jié)構(gòu)，增加了河槽床面阻力，對(duì)河道防洪產(chǎn)生了不利的影響[1]。對(duì)于含植物河道河道水流阻力的研究，美國(guó)水土保持局[2]1946提出US Soil Conservation Service方法，將植物在不同淹沒度條件下的阻力特性進(jìn)行量化分組；Hsieh[3]和Li &Shen[4]采用圓柱體模擬植物在矩形渠道中進(jìn)行試驗(yàn)，采用不同植物密度、排列方式，得到植物對(duì)水流阻力的影響。但早期的研究由于條件所限，其存在一定的局限性，不能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)含有剛性植物條件下水流特性。唐洪武等[5]以剛性圓柱棒模擬植物進(jìn)行水槽試驗(yàn)，對(duì)植物在非淹沒和淹沒條件下的曼寧系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和比較，得出了床面等效曼寧阻力系數(shù)概念；佘偉偉等[6]研究了不同間距和密度條件下含淹沒剛性植物的水流阻力問題，表明糙率隨著植物密度的變化而變化，當(dāng)植物密度相同時(shí)雷諾數(shù)較小的糙率較大；J.D.Shucksmith[7]研究了植物在生長(zhǎng)過程中不同時(shí)期的水流阻力變化情況。目前對(duì)含植物的明渠水流阻力系數(shù)的研究成果較多，但研究大多集中在雷諾數(shù)變化范圍不大的水流工況下，對(duì)于水流流速變化較大的水流工況，則未能形成則似于尼古拉茲阻力曲線中局部水流阻力與水力要素對(duì)應(yīng)關(guān)系的完善體系。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于水沙運(yùn)動(dòng)研究研究成果豐碩，對(duì)于沙波阻力、沙粒阻力與水流強(qiáng)度的變化規(guī)律有了科學(xué)全面的結(jié)論[8]。但對(duì)于更接近天然狀態(tài)下的植物和沙波復(fù)合床面條件下的各類研究剛剛興起。植物和沙波的復(fù)合床面條件下曼寧系數(shù)的研究可為濕地行洪安全、堤防的布置等提供科學(xué)的理論依據(jù)。

本文研究旨在研究單一沙波床面、單一植物床面及沙波與植物復(fù)合床面曼寧系數(shù)隨水流條件的變化規(guī)律的差異，對(duì)含沙波與植物復(fù)合床面的曼寧阻力系數(shù)提供一種新的計(jì)算方法。

2 試驗(yàn)布置與方法

2.1 試驗(yàn)布置

本次試驗(yàn)是在12 m×0.6 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)的可變坡矩形循環(huán)水槽中進(jìn)行，水槽變坡幅度為-6.25%～11.25%；水槽由兩個(gè)變頻泵及循環(huán)水池實(shí)現(xiàn)水流的可循環(huán)使用，單個(gè)變頻泵的最大流量為75 L/s。通過調(diào)節(jié)來水流量、水槽坡度及尾門開度，使每組工況均在均勻流條件下進(jìn)行。在水流達(dá)到均勻流后，測(cè)量水深及流速等水力要素。

在床面含沙波形態(tài)的工況下，采用中值粒徑為0.381 mm不均勻系數(shù)為1.5的石英沙作為試驗(yàn)用沙。水槽末端設(shè)置長(zhǎng)1.3 m，寬0.6 m的沉沙池，用以回收試驗(yàn)過程中輸移的泥沙。

在床面含植物的工況下，采用直徑為0.6 cm，高度為21 cm的圓柱形剛性鋁棒模擬植物。植物采用均勻布置形式布滿水槽橫斷面，相鄰植物間的縱向及橫向間距均為5 cm(見圖1)，植物密度λ采用植株比法[1]計(jì)算為0.002 827。在含有植物的工況下，植物均處于非淹沒狀態(tài)。

圖1 模擬植物布置形式示意

試驗(yàn)研究不同床面形態(tài)下曼寧系數(shù)隨水流條件的變化規(guī)律。試驗(yàn)中共設(shè)置沙波與植物不同組合下的4種床面形態(tài)：工況I、II分別模擬植物阻沙和沙波中生長(zhǎng)植物兩種模式下的沙波與剛性非淹沒植物復(fù)合床面；工況III模擬單一沙波床面；工況IV模擬單一剛性非淹沒植物床面。各工況布置要素見表1，床面布置示意見圖2～5。

表1 各工況布置要素

圖2 工況Ⅰ試驗(yàn)布置示意

圖3 工況Ⅱ試驗(yàn)布置示意

圖4 工況Ⅲ試驗(yàn)布置示意

圖5 工況Ⅳ試驗(yàn)布置示意

2.2 測(cè)量系統(tǒng)

流量Q由2臺(tái)放置在水池中的變頻泵控制，水深H由下游尾水閘門控制，通過閘門開度調(diào)節(jié)水位，坡降S通過下游的升降螺桿調(diào)節(jié)，可由水槽尾部的高程變化換算得到。均勻流通過調(diào)節(jié)流量和坡降實(shí)現(xiàn)，當(dāng)上下游水位尺和鋼尺測(cè)得的水深均為設(shè)計(jì)水深時(shí)認(rèn)為試驗(yàn)段達(dá)到了均勻流流態(tài)。床沙試驗(yàn)中，每組工況均將泥沙鋪設(shè)平整后，緩慢加水至試驗(yàn)值后開始沖刷試驗(yàn)。

2.3 曼寧系數(shù)

曼寧系數(shù)n是河道水流阻力中的一種量度，曼寧系數(shù)在傳統(tǒng)的水流阻力計(jì)算中具有重要的作用，在實(shí)際工程應(yīng)用中最為廣泛[5]。無(wú)植物的明渠均勻流中曼寧系數(shù)一般表達(dá)公式為[9]：

(1)

(2)

式中n為曼寧系數(shù)；V為斷面流速；Q為水槽內(nèi)總流量；A為水槽斷面面積；R為水力半徑；S為水力坡度。

王浩[10]認(rèn)為植物阻力的形成是由于邊壁產(chǎn)生的摩擦力和壓強(qiáng)差所引起的壓強(qiáng)阻力，最終該壓強(qiáng)阻力轉(zhuǎn)移至床面由整個(gè)床面來承擔(dān)，得出適用于有、無(wú)剛性植物條件下水力半徑公式：

R=(1-λ)H

(3)

式中H為植物區(qū)水深，當(dāng)λ=0時(shí)為無(wú)植物條件下水力半徑計(jì)算公式。

(5)

本次試驗(yàn)分析中將泥沙起動(dòng)流速視為特征流速，經(jīng)量測(cè)確定，復(fù)合床面(工況Ⅰ、Ⅱ)泥沙起動(dòng)流速Ucv為18.65 cm/s，測(cè)量結(jié)果與Tang Hongwu公式[11]計(jì)算結(jié)果誤差小于10%；單一沙波床面(工況III)泥沙起動(dòng)流速Uc為23.90 cm/s，測(cè)量結(jié)果與沙漠夫[8]公式計(jì)算誤差小于5%。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

借鑒前人研究方法[12]，本文亦將相對(duì)流速作為自變量，研究不同工況下相對(duì)流速與曼寧系數(shù)的變化規(guī)律。相對(duì)流速為水槽內(nèi)平均流速與特征流速的比值，工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ特征流速為泥沙起動(dòng)流速；工況Ⅳ水流結(jié)構(gòu)受植物影響，采用工況I的特征流速，用于比較復(fù)合床面與單一床面的區(qū)別。試驗(yàn)共4種工況總計(jì)45組，每組工況下的水力參數(shù)測(cè)量結(jié)果列于表2～5。工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ條件下計(jì)算得到相對(duì)流速與曼寧系數(shù)的關(guān)系見圖6，工況Ⅲ條件下相對(duì)流速與曼寧系數(shù)的關(guān)系見圖7。

圖7 無(wú)植物工況條件下變化規(guī)律示意

表2 工況Ⅰ試驗(yàn)成果

表3 工況Ⅱ試驗(yàn)成果

表4 工況Ⅲ試驗(yàn)成果

本文研究不同工況下曼寧系數(shù)的變化規(guī)律，計(jì)算得到的結(jié)果為該工況下水槽綜合曼寧阻力系數(shù)，由于水槽邊壁為光滑玻璃，導(dǎo)致計(jì)算得到的曼寧系數(shù)相較于床面曼寧系數(shù)偏小。對(duì)于玻璃邊壁其當(dāng)量糙度不變，且本次試驗(yàn)保持水深不變，水流均處于阻力平方區(qū)，玻璃邊壁曼寧系數(shù)不變，因此玻璃邊壁對(duì)床面曼寧系數(shù)變化規(guī)律趨勢(shì)無(wú)影響。

表5 工況Ⅳ試驗(yàn)成果

曼寧系數(shù)反應(yīng)了水流流態(tài)的紊亂程度，當(dāng)水體中含有較多渦旋、流態(tài)較為紊亂時(shí)曼寧阻力系數(shù)相對(duì)較大。孫會(huì)動(dòng)[13]指出僅含沙波床面中，沙紋形態(tài)增加了噴射和清掃作用。Yager[14]采用象限分析法研究得到剛性植物的存在有效的減少了雷諾應(yīng)力，對(duì)于近床面占主導(dǎo)的是外向交互作用流和內(nèi)向交互作用流。本文認(rèn)為剛性非淹沒植物和沙波復(fù)合床面中，當(dāng)流速較小時(shí)由于沙波和植物的共同作用導(dǎo)致水流中渦旋變少，水流結(jié)構(gòu)變得有序，導(dǎo)致曼寧系數(shù)隨著水流強(qiáng)度的增加而減??；當(dāng)流速進(jìn)一步增大后植物對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響作用占據(jù)了主導(dǎo)，水流結(jié)構(gòu)變得更紊流導(dǎo)致曼寧系數(shù)隨著水流強(qiáng)度的增加而增大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過4種工況，研究了不同工況下曼寧系數(shù)變化規(guī)律，研究表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)單一剛性非淹沒床面以及單一沙波床面曼寧系數(shù)隨著相對(duì)流速的增加而增加；剛性非淹沒植物與沙波復(fù)合床面曼寧系數(shù)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著相對(duì)流速的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的特征。本文認(rèn)為在相對(duì)流速較小時(shí)，剛性非淹沒植物與沙波相互影響減小了水流中的渦旋，導(dǎo)致曼寧系數(shù)隨著相對(duì)流速的增大而減小；當(dāng)相對(duì)流速繼續(xù)增大，復(fù)合床床面中剛性非淹沒植物對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致曼寧系數(shù)隨之增大。由于試驗(yàn)場(chǎng)地限制，本試驗(yàn)存在一定誤差，試驗(yàn)是進(jìn)行小坡度的試驗(yàn)研究，對(duì)于大坡度試驗(yàn)還需要進(jìn)一步研究。