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非淹没情况下植物拖曳力系数 C 进行了深入研究 ［33-35］ 。
D
实际应用中，最常以等效床面糙率表征等效床面阻力。吴乔枫等 ［36］ 基于植被分布将河道断面划
分为若干糙率不同的子区，人工率定了各分区的糙率，进而反演了糙率-水位曲线。唐洪武等 ［10］ 基于
力的平衡，采用圆柱铝棒进行了试验，得出了等效床面糙率，并提出了一系列等效水力参数概念。
Phillips 等 ［37］ 直接根据床面特征及粗略的植物描述，选取等效床面糙率。Wang 等 ［38］ 将 11 种含植被等
效床面糙率计算方法耦合于 HEC-RAS 中，对其适用性进行了评价，与人工校正曼宁系数的原始模型
相比，根据植物阻力动态调整糙率的模型对于大流量下的河道水位等预测更准确。
然而，以往对于含植物水流阻力的研究，植物多采用替代品，水流条件虽然可以缩比尺，但替
代品与实际植物并不相似，从而还原不到真实的情境中，诸如水面坡降、水流水力特性等刻画不够
准确，成果只可部分指导实际。同时，含植物河道等效床面糙率大多都根据经验选取，或者在数学
模型中人工校正，抑或是在实验室尺度根据植物替代品得出，根据真实植物阻力变化动态调整等效
床面糙率的研究不够完善。
基于上述不足，本文选用 3 种典型的真实植物进行水槽试验，植物布局参照现场调研的结果选
取，根据植物所处实际河道的不同位置施以对应的真实流速条件，量测各试验工况的水面线及流速
分布。将等效床面阻力分解为植物阻力和同样来流条件下的原床面阻力，计算植物阻力，换算得出
含植物河道等效床面糙率。

2 研究思路与试验设计

2.1 研究思路 含植物河道的典型横断面如图 1 所示。首先，沿横向和垂向对河道横断面的水体分
区，对于每一分区含植物的水体进行试验。植物采用实际植物，施以实际过流时相应的流速，研究
各分区植物对于水流的作用。然后，将含植物的总阻力减去相同来流条件下无植物时的阻力，得到
植物拖曳力系数 C ，用以表征单位高度单株植物阻力。在此基础上将各分区的植物阻力合成，得到
D
相应水流条件下的植物阻力系数 f 。最后，在获得植物阻力的基础上，将其附加于床面上，换算得到
v
植物等效附加糙率 n ，进而求得等效床面糙率n ′ b 。
v

图 1 含植物河道横断面及分区
2.2 试验装置 试验在天津大学水利馆进行，试验水槽系统如图 2 所示，水槽全长 28 m、宽 2 m、高
0.9 m，底坡为 0，水流经输水管道和稳水栅平顺地流入水槽，经可调节水位的栅格式尾门流出，系统
最大流量 500 L/s。流速测量采用声学多普勒流速仪（ADV），水位测量采用水位测针，精度为 0.1 mm，
流量测量采用尾门下游的矩形薄壁堰。其中，试验段总长 12 m，铺设 20 cm 厚的石子作为床面，中值
粒径 D =1.0 cm，试验段的上、下游各铺设坡比为 1∶5 的斜坡，使水流较平顺地流入和流出试验段。
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定义 x 方向为水流方向，y 方向为横向，z 方向为垂向，试验段上游边缘对应 x=0 m，水槽右边壁
对应 y=0 m，试验段石子层表面对应 z=0 m。在试验段设置了 11 个水面线测量断面（起始断面为 x=
0.75 m，断面之间间隔 1.05 m）。
2.3 试验方案 以天津市重要的行洪河道独流减河为研究对象，采用的植物均为河道主槽和滩地中

的典型植物。植物布置密度基于现场调研结果，且流速条件满足各特定植物区域的实际流速。试验
分为含植物组和不含植物组。无植物组试验和含植物组试验共计 53 组，设计试验工况列于表 1，水

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