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1、第39卷第2期中国海洋大学学报39(2):295～2982009年3月PERIODICALOFOCEANUNIVERSITYOFCHINAMar.,2009X淹没植物对河道糙率的影响拾兵,王川源,尹则高,吴航(中国海洋大学工程学院,山东青岛266100)摘要:基于河道水动力及植物柔性变形分析,建立淹没状态下的植物河道糙率计算的理论关系,同时,利用试验资料及理论分析成果,进一步获得了植物河道糙率的附加值,借此可以分析与评价河道植物对水流阻力的影响程度。关键词:河道;淹没柔性植物;糙率;计算关系中图法分类号:TV143文献标识码:A文章编号:167225174(2009)02229520
2、5m近年来,国内外对河道环境工程建设逐渐重视起u(z)z=(m+1)·(2)来。河道已不仅仅是防洪、泄洪的通道,还要满足多方VH式中V=CHS(对于植物河道,多为宽浅型,水力半面的功能需求,尤其在小水期。不仅要考虑河道的形1态学和水力学特性;更要充分发掘河道(主要是滩地)径近似等于水深),利用曼宁公式C=H6/n,则糙率与重要的休闲、娱乐和观赏价值。这样一来,河漫滩和河水深和平均流速的关系是:2/31/2岸自然生长或人工种植一些水生植物,是河道环境建HSn=(3)V设的需要,也是构建整个河流生态系统的重要组成部式中:n为糙率系数;S为水力坡度。分。滩地和河岸植物不仅能有效保持水土,起
3、到很好[122]假定植物形状如图1所示,其自然高度为hf,冠部的固滩、消浪、护岸作用,而且对于鱼类、无脊椎动扩散角为2α,主干直径为d0,前排植物迎水面上单位物和一些鸟类来讲,河道植物也提供了重要的栖息地[3]面积上的阻挡面积为β,则Z位置植物迎流面上单位和食物来源;然而,从水力学的观点来看,植物的存面积上受到的动水压力为在会对水流产生附加阻力,明显减弱河道的泄水流量,C2mD2z这种影响主要取决于植物的高度、密度、分布、硬度及p(z)=βρum(4)2H其类型。由于植物的活性,其对水流摩阻作用的影响程度随繁殖季节来临而增加,又随休眠枯萎季节的到来而消减。如何有效地确立植物河道的糙率
4、系数,正确计算河道的泄洪能力,科学控制植物的分布及其生长密度,是亟待解决的工程问题。本文基于柔性植物变形及室内模拟试验资料分析,探讨淹没植物对河道糙率系数的影响关系。图1植物直立形态与尺度1糙率系数的理论分析Fig.1Shapeandscaleofsingleupstandingvegetation河道植物增大了水流阻力,也就是加大了河道糙Z位置的动力矩:h率。假设不受植物影响的流速剖面服从指数分布,其fM(z)=∫[p(ζ)·2(hf-ζ)tgα·(ζ-z)]dζz垂线平均流速V与表面最大流速um的关系是:(5)Hmu1zmV=umdz=(1)将(5)式代入(6)式,得到:H∫0H
5、m+12Cρu2βtanαhDmf式中:H为水深;m是指数。M(z)=2m∫(hf-ζ)(ζ-z)·Hz任意位置Z处的流速u(z)与垂线平均流速V的2mζdζ(6)比值为X基金项目:国家自然科学基金课题(50479029,50879084)资助收稿日期:2007205228;修订日期:2008210215作者简介:拾兵(19612),男,教授,博士生导师,主要从事河流、河口与海岸动力学研究。E2mail:sediment@ouc.edu.cn296中国海洋大学学报2009年22由力学关系[4]dv=M(z)(7)10kmβCDρuptanα2m+52EIυ′=2m(hf-z0)(13
6、)dzEI0(H-z0)式中:V为Z位置处的植物挠度;E为弹性模量;I为惯“第二边界”位置受到的水流方向的集中力P(z0)和弯性矩。矩M(z0)可表示为下列形式:对方程两边2次积分,则得:hz-z2mf202α2m+322m+23P(z0)=∫CDρβumtanα(hf-z)dz=υ=10βCDρumtanhfzhfzz0H-z02m+-EI0H4(m+1)12(m+1)(h-z2(m+1)21f0)h2m+42m+5CDρβumtanα·2m(14)fzz(H-z0)(2m+1)(2m+2)--4(m+1)(m+2)(2m+3)4(m+1)(m+2)(2m+5)hf(ζ-z0)2m
7、2h2m+2z3hz2m+4h2m+3z2M(z0)=CDρβumtanα2m(hf-ζ)(ζ-fff∫z(H-z0)+-+06(2m+1)2(m+2)(2m+1)(2m+3)2(2m+3)2m+32m+521(hf-z0)zz0)dξ=CDρβumtanα·2m(2m+2)(2m+3)(8)(H-z0)(2m+3)(2m+4)(2m+5)(15)当z=hf时,2“第二边界”位置植物的水平变形位移可由下式给出10βCDρuptanα2m+5v=2mhfP(
