植草河床的糙率系數(shù)試驗(yàn)研究

魯 薇

（朝陽(yáng)市水務(wù)局，遼寧朝陽(yáng)122000）

0 引 言

河床植被的存在對(duì)固灘護(hù)岸和恢復(fù)生物多樣性起到良好的維護(hù)作用［1］。但是河床植物在某種程度上會(huì)使河流原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，增大水流阻力、加大糙率系數(shù)、減小平均流速、縮窄河槽過(guò)水?dāng)嗝娴龋瑢?dǎo)致水位上升和部分泥沙淤積，從而影響整個(gè)河道的行洪能力。這些影響因素不僅與河流的特性相關(guān)，還與河床植物的種類、生長(zhǎng)周期、種植密度等息息相關(guān)［2］。因此，必須深入了解植草河床的糙率系數(shù)，正確計(jì)算河道的泄洪能力，科學(xué)配置植物高度及種植密度，為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

目前，植草河床的研究多采用人工合成材料（PVC 材料、不銹鋼棒等）模擬河道中的天然植被，這些材料造價(jià)相對(duì)較低且易于獲得，但是卻不能完全模擬出天然植被的自然生長(zhǎng)狀態(tài)，如植被的莖葉大小、韌性、根系的固土作用等［3］。因此，使用自然狀態(tài)下生長(zhǎng)的植物作為試驗(yàn)材料，深入探討植草河床糙率系數(shù)與流量、植物密度、植物高度的關(guān)系是非常有必要的。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置與模型植物

本試驗(yàn)在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院水工實(shí)驗(yàn)大廳中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)15 m，寬0.8 m，高0.2 m，槽底坡度5‰（見(jiàn)圖1），試驗(yàn)采用的測(cè)量設(shè)備有：LGY-II 型便攜式流速儀、自動(dòng)水位計(jì)等。試驗(yàn)選取3種流量（22.7、39.0、48.6 L/s）、3種植物高度（17～18、11～12、7～8 cm）、兩種植物密度（600～800、1 300～1 500 株/m2）。

圖1 模型平面布置圖（單位：m）Fig.1 The model floor-plan

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，本次試驗(yàn)選用東北地區(qū)河道灘地常見(jiàn)植被高羊茅作為代表性植物。種植采取整地播種，直播撒播的方法（見(jiàn)圖2）。通過(guò)人工修剪方式控制植物密度和植物高度。試驗(yàn)用土取自遼寧省沈陽(yáng)市東陵區(qū)石廟子村，該地土壤屬于渾河沖積平原土，為壤質(zhì)草甸土。通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)得了土壤的常規(guī)物理性質(zhì)參數(shù)（見(jiàn)表1）。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知本次試驗(yàn)用土為粉質(zhì)黏土［4］。

表1 試驗(yàn)用土常規(guī)物理性質(zhì)指標(biāo)表Tab.1 Conventional physical properties index table of the soil

圖2 植草箱Fig 2 The Schematic plot of grass box

圖3 試驗(yàn)用土顆粒組成圖Fig 3 Particles in figure of the soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證

對(duì)于具有自由液面的明渠流動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)同時(shí)受到重力和黏滯力作用，即模型必須同時(shí)滿足重力相似準(zhǔn)則和阻力相似準(zhǔn)則。但是，一般情況下，重力相似準(zhǔn)則和阻力相似準(zhǔn)則通常是不能同時(shí)滿足的［5］。實(shí)際上，當(dāng)設(shè)計(jì)模型中水流的雷諾數(shù)超過(guò)臨界雷諾數(shù)一定的范圍，就可以認(rèn)為模型主要的作用力是重力，因此本試驗(yàn)只考慮重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)控制弗汝德數(shù)小于1 以保證水流為緩流，雷諾數(shù)大于1 000 以保證水流為紊流［6］。

室內(nèi)進(jìn)行物理模型和原體天然植物相結(jié)合的試驗(yàn)，是模型試驗(yàn)的新方法，需要從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。進(jìn)行植草河床阻力特性試驗(yàn)前，首先進(jìn)行素土沖刷試驗(yàn)，素土是不包含任何植物、有機(jī)物等雜質(zhì)的土壤。通過(guò)對(duì)有機(jī)玻璃段和素土段的流速測(cè)定，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出有機(jī)玻璃槽壁糙率值范圍在0.007 95～0.009 15，素土糙率值范圍在0.015 7～0.020 7。查《水力計(jì)算手冊(cè)》［7］可知，本次試驗(yàn)所得到的糙率值均在允許范圍之內(nèi)，由此可以認(rèn)為，本次試驗(yàn)所用模型對(duì)植草河床性能不存在本質(zhì)影響，試驗(yàn)所得成果可以直接應(yīng)用于實(shí)際河道工程設(shè)計(jì)中。

2 結(jié)果與分析

2.1 植草河床糙率取值范圍

由于植草河床的糙率值無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)手段直接測(cè)定，只有通過(guò)測(cè)出流速值，再通過(guò)理論公式間接的求出植草河床糙率值。根據(jù)曼寧糙率公式：

式中：n為糙率；V為斷面平均流速；R為水力半徑；J為水力坡降。

由于植草河床床面與有機(jī)玻璃壁面材質(zhì)存在較大差異，因此計(jì)算所得糙率為植被和水槽共同作用時(shí)的綜合糙率，必須運(yùn)用愛(ài)因斯坦綜合糙率公式求出植草河床的凈糙率值［8］。

由能量守恒公式得：

式中：Vu為上游斷面流速；Vd為下游斷面流速；hu為上游水面高程；hd為下游水面高程；hf為水頭損失。

當(dāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械闹膊荻斡兄参飼r(shí)，這時(shí)對(duì)水流的阻力作用可以理解為是植物和水槽同時(shí)作用的結(jié)果，有上述公式可得：

當(dāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械闹膊荻螞](méi)有植物時(shí)，僅在水槽作用下，由公式（2）可得：

式中：grass+PMMA表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械闹膊荻斡兄参飼r(shí)，對(duì)水流的阻力作用是植被和水槽共同作用下的結(jié)果；PMMA表示試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械闹膊荻螞](méi)有植物時(shí)，這時(shí)對(duì)水流的阻力作用只有水槽；BG是植被沿水流方向的區(qū)域長(zhǎng)度。

將式（4）帶入式（1）中得出植被和水槽共同作用下的糙率：

同理，將式（6）帶入式（7）中得出水槽的糙率：

根據(jù)愛(ài)因斯坦綜合糙率可由兩者各自糙率求和得到，即：

因此，可求出本次試驗(yàn)植草河床的凈糙率公式：

利用植草河床凈糙率公式（10），通過(guò)對(duì)不同工況的高羊茅糙率值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，得到天然植草河床糙率值的大致取值范圍是0.033 2～0.064 1，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 不同工況下植草河床糙率具體數(shù)值Tab.2 Roughness of grass riverbed under different conditions

2.2 不同流量對(duì)植草河床糙率值的影響

圖4為不同流量下，天然植草河床糙率對(duì)比圖。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，天然植草河床糙率值隨著流量的增大而減小。與影響糙率值的其他因素相比，如植物密度和植物高度，流量對(duì)糙率值的影響幅度最小，且隨著流量的逐漸增大，變化范圍逐漸縮小，這說(shuō)明當(dāng)流量達(dá)到一定程度時(shí)，天然植草河床的糙率值最終會(huì)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值。在本次試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，由于灘地植物高羊茅的莖葉處于自然生長(zhǎng)的天然排列狀態(tài)，而且生長(zhǎng)周期4 個(gè)月的植物莖干具有一定的初始韌度，再加上根系與土壤的共同作用使植物莖干具有一定的剛度，所以此時(shí)植物對(duì)水流的阻力作用最強(qiáng)，糙率值最大［9］。隨著流量的逐漸增大，植物的莖葉在水流的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，順?biāo)鞣较虻狗诖裁?，草面逐漸變平，呈現(xiàn)較為平順的狀態(tài)，這時(shí)候的植草河床糙率值相應(yīng)減小。當(dāng)流量與沖刷歷時(shí)進(jìn)一步增大時(shí)，植物莖干的彎曲至極限程度，植物不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)，只是在其平衡位置產(chǎn)生輕微擺動(dòng)，植物的葉莖在水流的梳理下達(dá)到最平順狀態(tài)，糙率值進(jìn)一步降低，最終達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值。

2.3 不同植物密度對(duì)植草河床糙率值的影響

圖5為不同植物密度下，天然植草河床糙率對(duì)比圖。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然植草河床糙率值隨著植物密度的增大而增大。原因在于：密度越大的高羊茅，由于植物莖葉面積的增大對(duì)水流的阻力面積也隨之增大，所以對(duì)水流的阻礙作用更加明顯，流速減小的趨勢(shì)也就更加明顯。再加上植物抗彎曲的程度主要取決于莖干的密度和柔韌度，密度越大，植物的抗彎曲程度越大，同時(shí)植物的彎曲程度決定植物對(duì)水流的阻力作用，因此，天然植草河床糙率值有隨植物密度增加的趨勢(shì)［10］。

2.4 不同植物高度對(duì)植草河床糙率值的影響

圖6為不同植物高度下，天然植草河床糙率對(duì)比圖。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，天然植草河床糙率值隨著植物高度的增大而增大。與影響糙率值的其他因素相比，如流量和植物種植密度，植物高度對(duì)糙率值的影響幅度最大［11］。原因在于：植物的高度不同，其葉面表面積、植物莖干的長(zhǎng)度和韌度亦不同，天然植草河床糙率值的大小主要取決于植物莖葉對(duì)水流的阻滯作用，因此植物高度的不同對(duì)水流的阻礙作用會(huì)存在差異［12］。本次試驗(yàn)的植物高度通過(guò)人工修剪的方式控制，植物高度是17～18 cm 時(shí)，植物莖葉之比是5∶7；植物高度是11～12 cm 時(shí)，植物莖葉之比是5∶3；植物高度是7～8 cm 時(shí)，植物莖葉之比是15∶1。由試驗(yàn)結(jié)果可知，天然植物河床糙率值在植物高度是17～18 cm的時(shí)候，增長(zhǎng)幅度最為明顯，說(shuō)明植物葉片比植物莖干的阻力作用更為明顯，原因是植物葉片會(huì)隨水流產(chǎn)生左右擺動(dòng)的現(xiàn)象，植被的反復(fù)擺動(dòng)導(dǎo)致了水流的紊動(dòng)，從而消耗了水流的動(dòng)能，所以這時(shí)的糙率值相對(duì)較大些。

3 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)采用室內(nèi)物理模型和原體天然植物相結(jié)合的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可直接應(yīng)用于實(shí)際河道工程設(shè)計(jì)中。

（2）通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得出高羊茅糙率的大致取值范圍是0.033 2～0.064 1。糙率值隨著沖刷歷時(shí)和流量的增大而減小，隨著植物密度和植物高度的增大而增大。

試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，植物對(duì)水流的阻力作用最強(qiáng)，糙率值最大。當(dāng)流量進(jìn)一步增大時(shí)，植物不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)，糙率值進(jìn)一步降低，最終達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值。

（3）試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，植物高度對(duì)水流的阻力作用比相同條件下植物密度的阻力作用要大。所以，在實(shí)際工程需要種植植物時(shí)，可以使植物的密度相對(duì)小一些，植物高度高一些，這樣不僅可以減小植物的工程量，同時(shí)也可以起到相同或者更好的效果。 □