CN105205215A - 一种计算不同状态挺水植被水流阻力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算不同状态挺水植被水流阻力的通用方法，主要包括四个步骤：计算单株挺水植被的阻力系数，计算单株挺水植被的阻力，计算单断面挺水植被群的水流阻力，计算多断面挺水植被群落的水流阻力。与现有技术相比，本发明不仅能够直接计算挺水植被保持直立状态时的水流阻力，而且能够计算挺水植被处于摇摆状态或倒伏状态下的水流阻力。利用本发明的计算方法能够方便、快捷、可靠计算挺水植被的水流阻力，而不再受挺水植被状态的影响，具有推广应用的价值。

Description

一种计算不同状态挺水植被水流阻力的方法

技术领域

本发明涉及一种计算挺水植被引起的水流阻力的通用计算方法，尤其涉及一种计算不同状态挺水植被水流阻力系数的方法。

背景技术

当前种植水生植被已经为改善河流、湖泊等水体的水环境，修复河湖生态系统的重要手段之一。最为常见的就是在河湖的堤防、岸滩种植挺水植被，一方面可以改善、修复水环境，另一方面还可以美化环境，改造河湖景观。但由于在堤防、岸滩种植水生植被，会导致水流阻力增加、抬高水位、减缓洪水下泄速度，从而影响防洪安全。通过计算分析挺水植被在河湖最大允许洪水标准下的水流阻力，可以为河湖堤防、岸滩上挺水植被的种植提供相关理论依据。一般在计算挺水植被阻力的时候，都是通过实验观测植被的阻力系数，再通过阻力系数计算挺水植被的阻力。现有挺水植被阻力的计算方法缺点是在确定挺水植被阻力系数的时候，假定挺水植被的状态一直保持直立不变。但在实际情况中，挺水植被的状态会在一定的来流条件下会发生改变，一般挺水植被群落在水流作用下最多会同时出现三种状态，如图1所示。这样一来利用现有方法计算出来的阻力就会与真实的阻力有很大的偏差，因此，需要一种新的、更符合实际情况的挺水植被水流阻力的计算方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供的一种计算不同状态挺水植被水流阻力系数的方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括以下步骤：

(1)计算单株挺水植被的阻力系数：

首先，通过水文测量获得挺水植被断面的来流流速V，和当地水深H₀以及挺水植被的淹没高度H_V。在挺水植被保持直立状态或在摇摆状态时挺水植被顶部未淹没的情况下，淹没高度H_V可以用当地水深H₀代替。

其次，计算挺水植被弗汝德数，由下式计算得到：

$F_r^{*}=\frac{V^2}{{\mathrm{gH}}_V}$ 公式一

式中：F_r ^*为挺水植被弗汝德数；

最后，计算单株挺水植被的阻力系数，由下式计算得到：

$C_D=1.3527{\left(F_r^{*}\right)}^{-1.979}$ 公式二

式中：C_D为挺水植被水流阻力系数；

(2)计算单株挺水植被的阻力：

计算水流阻力时，水利工程领域中一般采用糙率表示水流阻力。通过转换将糙率用阻力系数来表示，根据曼宁公式可知：

$C=\frac{1}{n_d}{R}^{1/6}$ 公式三

式中：C：谢才系数；n：糙率；R：水力半径，可以由下式计算得到：

$R=\frac{A}{S}$ 公式四

式中：A是河道过水的横截面积；S是相应的湿周；根据谢才公式可知：

$C=\sqrt{\frac{8g}{C_D}}:$ 公式五

结合式公式三、四和五则可以得到糙率的计算表达式：

$n_d=R^{1/6}\·{\left(\frac{C_D}{8g}\right)}^{1/2}$ 公式六

从公式六中可以看出，在来流条件一定的情况下，挺水植被引起的水流阻力大小是由阻力系数C_D确定的；

(3)计算单断面挺水植被群的水流阻力：

统计断面上挺水植被的数量，然后用下式进行计算单断面挺水植被群的水流阻力

n_S＝N_EV·n_d公式七

式中：N_EV：单断面上挺水植被数量；

(4)计算挺水植物多断面的水流阻力：

利用公式七分别计算各断面上挺水植被群的水流阻力后，利用下式计算整个挺水植被群落的水流阻力：

$n_M=\underset{i=1}{\overset{N_M}{\Σ}}{n}_s$ 公式八

式中：N_M：挺水植物群落所占据的河道断面数。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种计算不同状态挺水植被水流阻力系数的方法，与现有技术相比，本发明不仅能够直接计算挺水植被保持直立状态时的水流阻力，而且能够计算挺水植被处于摇摆状态或倒伏状态下的水流阻力。利用本发明的计算方法能够方便、快捷、可靠计算挺水植被的水流阻力，而不再受植被状态的影响，具有推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明挺水植被群落植物状态分区示意图；

图2是本发明河道过水面积及对应湿周示意图；

图3是本发明不同状态的挺水植被阻力系数的测量值与计算值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明包括以下步骤：

(1)计算单株挺水植被的阻力系数：

首先，通过水文测量获得挺水植被断面的来流流速V，和当地水深H₀以及挺水植被的淹没高度H_V。在挺水植被保持直立状态或在摇摆状态时挺水植被顶部未淹没的情况下，淹没高度H_V可以用当地水深H₀代替；

其次，计算挺水植被弗汝德数，由下式计算得到：

$F_r^{*}=\frac{V^2}{{\mathrm{gH}}_V}$ 公式一

式中：F_r ^*为挺水植被弗汝德数；

最后，计算单株挺水植被的阻力系数，由下式计算得到：

$C_D=1.3527{\left(F_r^{*}\right)}^{-1.979}$ 公式二

式中：C_D为挺水植被水流阻力系数；

(2)计算单株挺水植被的阻力：

计算水流阻力时，水利工程领域中一般采用糙率表示水流阻力。通过转换将糙率用阻力系数来表示，根据曼宁公式可知：

$C=\frac{1}{n_d}{R}^{1/6}$ 公式三

式中：C：谢才系数；n：糙率；R：水力半径，可以由下式计算得到：

$R=\frac{A}{S}$ 公式四

式中：A是河道过水的横截面积；S是相应的湿周，如图2所示；根据谢才公式可知：

$C=\sqrt{\frac{8g}{C_D}}:$ 公式五

结合式公式三、四和五则可以得到糙率的计算表达式：

$n_d=R^{1/6}\·{\left(\frac{C_D}{8g}\right)}^{1/2}$ 公式六

从公式六中可以看出，在来流条件一定的情况下，挺水植被引起的水流阻力大小是由阻力系数C_D确定的；

(3)计算单断面挺水植被群的水流阻力：

统计断面上挺水植被的数量，然后用下式进行计算单断面挺水植被群的水流阻力

n_S＝N_EV·n_d公式七

式中：N_EV：单断面上挺水植被数量；

(4)计算多断面挺水植被群落的水流阻力：

利用公式七分别计算各断面上挺水植被群的水流阻力后，利用下式计算整个挺水植被群落的水流阻力：

$n_M=\underset{i=1}{\overset{N_M}{\Σ}}{n}_s$ 公式八

式中：N_M：挺水植物群落所占据的河道断面数。

本发明可以不受挺水植被状态的限制，直接计算处于不同状态的挺水植被的水流阻力。并通过单株挺水植被的阻力试验验证了该方法的可靠性和精度，结果如表1所示。

表1单株挺水植被不同状态下阻力系数及糙率的计算值与实测值

表1中的相对误差σ通过下式计算得到：

公式九

从表1中可以看出，本发明提供的方法能够有效适用于挺水植被在不同状态时的水流阻力计算，并且具有很高的可靠性和精度，与实测值相比较阻力系数的最大相对误差小于1.4％，而糙率的最大误差小于0.7％，能够有效满足水利工程的建设管理需要。

参数测量

利用本发明只需要测量少量参数即可计算挺水植被的水流阻力。

①测量挺水植被所在断面的来流平均流速：V

②测量挺水植被所在断面的水深：H₀

③测量挺水植被的淹没高度H_V，在挺水植被保持直立状态，或在摇摆状态时挺水植被顶部未淹没的情况下，淹没高度H_V可以用所在断面的水深H₀代替。

④测量挺水植被群落的分布参数，包括挺水植被分布的断面数量N_M和各断面上挺水植被的数量N_EV。

下面以单株挺水植被为例进行说明:

A、单株挺水植被的阻力系数

根据公式一和二计算阻力系数C_D

把挺水植被阻力系数的测量值与计算值分别绘制在图上，如图3所示。

通过对计算值与测量值的相关分析可以得到两者之间的相关系数为：

R²＝0.9999

这表明计算值与实测值基本上完全一致。

B、单株挺水植被的阻力:

利用公式六计算挺水植被的阻力。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种计算不同状态挺水植被水流阻力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算单株挺水植被的阻力系数：

首先，通过水文测量获得挺水植被所在断面的上游来流流速V，和当地水深H₀以及挺水植被的淹没高度H_V。在挺水植被保持直立状态或在摇摆状态时挺水植被顶部未淹没的情况下，淹没高度H_V可以用当地水深H₀代替；

其次，计算挺水植被弗汝德数，由下式计算得到：

$F_r^{*}=\frac{V^2}{{\mathrm{gH}}_V}$ 公式一

式中：F_r ^*为挺水植被弗汝德数；

最后，计算单株挺水植被的阻力系数，由下式计算得到：

$C_D=1.3527{\left(F_r^{*}\right)}^{-1.979}$ 公式二

式中：C_D为挺水植被水流阻力系数；

(2)计算单株挺水植被的阻力：

计算水流阻力时，水利工程领域中一般采用糙率表示水流阻力。通过转换可以将糙率用阻力系数来表示，根据曼宁公式可知：

$C=\frac{1}{n_d}{R}^{1/6}$ 公式三

式中：C：谢才系数；n：糙率；R：水力半径，可以由下式计算得到：

$R=\frac{A}{S}$ 公式四

式中：A是河道过水的横截面积；S是相应的湿周；根据谢才公式可知：

$C=\sqrt{\frac{8g}{C_D}}:$ 公式五

结合式公式三、四和五则可以得到糙率的计算表达式：

$n_d=R^{1/6}\·{\left(\frac{C_D}{8g}\right)}^{1/2}$ 公式六

从公式六中可以看出，在来流条件一定的情况下，挺水植被引起的水流阻力大小是由阻力系数C_D确定的；

(3)计算单断面挺水植被群的水流阻力：

统计断面上挺水植被的数量，然后用下式进行计算单断面挺水植被群的水流阻力

n_S＝N_EV·n_d公式七

式中：N_EV：单断面上挺水植被数量；

(4)计算多断面挺水植被群落的水流阻力：

利用公式七分别计算各断面上挺水植被群的水流阻力后，利用下式计算整个挺水植被群落的水流阻力：

$n_M=\underset{i=1}{\overset{N_M}{\Σ}}{n}_s$ 公式八

式中：N_M：挺水植物群落所占据的河道断面数。