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水 利 学 报

2021 年 9 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 9 期

文章编号：0559-9350（2021）09-1024-13

含植物河道等效床面阻力试验研究

高学平，吕建璋，孙博闻，刘殷竹

（天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350）

摘要：植物广泛存在于滩地和河槽中，可有效改善水环境，但同时也增加了水流阻力。通常采用不同材料的棍状
物或仿生植物模拟实际植物进行试验研究，将植物阻力附加于床面上与原床面阻力一起构成等效床面阻力，因模拟
实际植物的不相似导致含植物河道等效床面阻力的研究不够完善。本文提出了对实际植物分区施加实际流速条件进
行试验的思路，即按河道现场调研的植物密度布置，沿横向和垂向对河道横断面分区，对实际植物区域施加实际流
速条件，试验研究分区水体中的植物阻力，最后换算得到表征等效床面阻力的等效床面糙率。以独流减河上游河道
为对象，选用乔木、灌木和芦苇三种典型植物，考虑河道横断面不同分区的流速条件进行了试验，结果表明，当遭
遇 100 年一遇洪水时，乔木种植区域的等效床面糙率为 0.060 ~ 0.066，灌木种植区域的等效床面糙率为 0.083 ~
0.099，芦苇种植区域的等效床面糙率为 0.698 ~ 0.989。研究成果可为防洪计算和水环境治理提供理论支持。
关键词：含植物河道；等效床面糙率；植物阻力；实际植物；水槽试验
中图分类号：TV131 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210272

1 研究背景

［1］
植物广泛存在于天然河道、滩地、湿地，可起到净化水质、稳固边坡的作用 ，在水生态系统中
发挥着重要作用。与此同时，植物的存在改变了水流结构 ［2-6］ ，增加了水流阻力 ［7-9］ 。一般地，运用力
的平衡原理，在同样来流条件下原床面（无植物床面）阻力的基础上，将植物阻力均匀作用在床面
上，共同构成含植物河道等效床面阻力 ［10］ ，这时需要获得等效床面阻力来预测水位及流速分布，从
而在保证河道过水能力和改善水环境之间寻求平衡。
计算植物阻力是获得等效床面阻力的重要一环，植物阻力与水流条件（流速、水深等）、植物物
理特征（高度、茎杆直径、刚度、叶面积等）、植物密度等诸多因素相关。对于刚性植物，许多学者
使用圆柱杆代替 ［11］ ，变化布置密度及水流条件等，对其拖曳力系数 C 进行了研究 ［12-16］ 。对于柔性植
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物，植物随水流发生弯曲和结构变形 ［17］ ，增加了问题的复杂性。很多学者采用塑料纤维 ［18］ 、聚乙烯
薄片 ［19-20］ 、仿生植物等 ［21］ 代表柔性植物进行试验。Vogel ［22］ 引入指数 b，提出植物阻力 F ~u 2+b ，b 因植
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物种类而异。Whittaker 等 ［23］ 考虑了植物的抗弯刚度 EI，使用改进的柯西数方法来预测柔性植物的阻
力系数。Ja ̈rvela ̈ ［24］ 和 Jalonen 等 ［25］ 使用叶面积指数（LAI），即单位床面面积上的叶面积代替正投影面
积，提出了预测特定植物阻力系数 f 的计算方法。淹没情况下，水流可分为植物层和自由水层，植物
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和原有床面可以视为统一床面处理，进而方便了含植物水流水力特性 ［26-28］ 和阻力特性 ［29-30］ 的研究，郑
爽等 ［31］ 通过含淹没柔性水生植物水流的水槽试验和量纲分析，得出了等效床面糙率经验公式。非淹
没情况下，断面平均流速相同时，水深变化，植物受力变化，从而等效床面阻力随着水深的变化而
变化，Wang 等 ［32］ 建立了等效床面阻力系数与 C 之间的关系，许多学者通过试验和数值模拟的方法对
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收稿日期：2021-03-21；网络首发时间：2021-08-05
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210805.0853.001.html
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基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51321065）
作者简介：高学平（1962-），博士，教授，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：xpgao@tju.edu.cn
通讯作者：刘殷竹（1992-），博士，助理研究员，主要从事水力学和水源调配研究。E-mail：yz_liu@tju.edu.cn
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