一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的测定方法与流程

技术特征：

1.一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的计算方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

设定约束条件的步骤：用于设定一段生长柔性水生植物的矩形渠道，沿流向取两个过水断面之间长度为L的水体为控制体，建立直角坐标系，x为沿流向方向，y为横向，z为铅垂方向，沿x方向满足动量定理，动量公式为：

P₁+F_G-F_Vad-F₀-P₂＝ρQ(U₂-U₁)

式中：P₁为控制体上游过水断面所受动水作用力、P₂为控制体下游过水断面所受动水作用力、F_G为控制体所受重力沿x方向的分量、F_Vad为控制体所受的植物附加阻力、F₀为无植物时原河床阻力、ρ为水体密度、Q为流量、U₁为控制体上游过水断面的流速、U₂为控制体下游过水断面的流速；

计算控制体沿流向的重力分量的步骤：用于通过公式：

$F_G=\mathrm{\ρ}giBL(\frac{h_1+h_2}{2}-V_{V}M)$

计算控制水体所受重力沿流向x的分量F_G，式中：i为水槽底坡、B为水槽水面宽度、L为控制体长度、V_V为单株植物的排开水体的体积、M为单位面积内植物株数、h₁为控制体上游过水断面的水深、h₂为控制体下游过水断面的水深；

计算控制体上下游过水断面所受动水作用力的步骤：用于使用公式：

$\begin{array}{cc}{P}_1=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_1^2}{2},& P_2=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_2^2}{2}\end{array}$

按静水压力分布分别计算上下游过水断面所受动水作用力P₁和P₂；

计算过水断面湿周的步骤：用于通过公式：

χ＝B+2h

计算过水断面湿周，其中：h为控制体的平均水深；

计算综合阻力的步骤：用于利用公式：

F_V＝τ_VχL

控制体所受植物及原水槽影响的综合阻力F_V，式中：τ_V为水槽内水生植物及原水槽边界引起的综合剪应力；

建立动量方程的步骤：用于将

$F_G=\mathrm{\ρ}giBL(\frac{h_1+h_2}{2}-V_{V}M),$

$\begin{array}{cc}{P}_1=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_1^2}{2},& P_2=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_2^2}{2}\end{array},$

F_V＝τ_VχL，

带入动量公式，即得动量方程：

${\mathrm{\τ}}_V\mathrm{\χ}L=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_1^2-h_2^2}{2}+\mathrm{\ρ}giBL(\frac{h_1+h_2}{2}-V_{V}M)+\mathrm{\ρ}Q(U_1-U_2);$

解出综合曼宁糙率的步骤：用于联立公式：

${\mathrm{\τ}}_V\mathrm{\χ}L=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_1^2-h_2^2}{2}+\mathrm{\ρ}giBL(\frac{h_1+h_2}{2}-V_{V}M)+\mathrm{\ρ}Q(U_1-U_2)$

τ_V＝ρgRJ

$n_V=\frac{R^{2/3}{J}^{1/2}}{U}$

求解上述联立公式，可得：

$n_V=\sqrt{\frac{{\mathrm{\τ}}_V{R}^{1/3}}{{\mathrm{\ρgU}}^2}}$

式中，n_V为基于恒定非均匀流条件得到的水槽综合曼宁糙率、τ_V为水槽内水生植物及原水槽边界引起的综合剪应力、g为重力加速度、R为控制体的平均水力半径、U为控制体的平均流速。

2.一种使用权利要求1所述方法的结论测定河道曼宁糙率的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

实地测定河道曼宁糙率的步骤：用于选定需要测定曼宁糙率的河段进行水力学测量，测量内容包括：河道流量Q、河道底坡i、水面宽度B、河段长度L、施测河段首断面和末断面的水深h₁、h₂、施测河段首断面和末断面的流速U₁、U₂；

计算湿周和水力半径的步骤：用于根据施测河段首断面和末断面的水深、河道断面尺寸计算平均过水断面湿周χ和水力半径R；

实地测量植物的步骤：用于对施测河段的水生植被进行采样测量，测量内容包括：单株植物的排开水体的体积V_V、单位面积内植物株数M；

计算综合剪应力的步骤：用于根据公式：

${\mathrm{\τ}}_V\mathrm{\χ}L=\mathrm{\ρ}gB\frac{h_1^2-h_2^2}{2}+\mathrm{\ρ}giBL(\frac{h_1+h_2}{2}-V_{V}M)+\mathrm{\ρ}Q(U_1-U_2)$

计算河道内水生植物及原河床边界引起的综合剪应力；

计算曼宁糙率的步骤：用于根据公式：

$n_V=\sqrt{\frac{{\mathrm{\τ}}_V{R}^{1/3}}{{\mathrm{\ρgU}}^2}}$

计算得到天然河道综合曼宁糙率n_V。