植被排列方式对坡面糙率系数的影响研究

人民黄河YELLOW RIVER

V〇1.39 ,No.5 May,2017

【水土保持】

植被排列方式对坡面糙率系数的影响研究

张景洲，张升堂，刘元臣，刘颖，王之凯

(山东科技大学地球科学与工程学院，山东青岛266590)

摘要：为分析植被排列走向与水流方向的夾角对坡面地表水流阻力的影响，设计了 3种植被排列走向与水流方向成不 同夹角的底板、7种不同的坡面比降，通过试验研究不同植被分布对坡面流水流阻力的影响。结果表明：在非淹没状态 下，在一定坡面比降范围内，同一平均水深下，随着水流方向与植被走向夹角减小，糙率系数增大；同一下垫面条件下，坡 面水流流向不同则坡面地表糙率系数不同，植被走向与水流方向的夹角越小则糙率系数越大。关键词：糙率系数；植被排列方式；坡面流；水流阻力；非淹没中图分类号：S157.1

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2017.05.022

Studyon Impact of Vegetation Arrangement on Slope Surface Roughness Coefficient

ZHANG Jingzhou，ZHANG Shengtang，LIU Yuanchen，LIU Ying，WANG Zhikai

(College of Geological Science & Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

Abstract ： In order to analyze the impact of the angle between the direction of flow and the vegetation arrangement on the slope surface water flow resistance，this study designed three groups of bottom plate of different angles between vegetation arrangement and water flow and seven different sets of bottom slope to explore the impact of vegetation distribution on slope surface resistance of the water flow. The results show- that in the non-submerged state and in the same average depth h under a certain slope，with the reducing of angle between the direction of flow and vegetation，the roughness coefficient n value is constantly increasing. In the same underlying surface，the value of the angle between the direction of flow and vegetation to the slope of the water flow is different with the different surface roughness，and the smaller angle with the greater roughness coefficient n value.Key words： roughness coefficient； vegetation distribution； overland flow； flow- resistance； non-submerged

随着我国社会经济的快速发展，水环境污染问题 日益严重。为了维持经济社会的可持续发展，我国越 来越重视生态环境建设。植被是生态系统的重要组成 部分，具备保护坡面生态及避免地表土壤水土流失的 特殊功能。对有植被的坡面进行水流阻力研究，对于 解决水土流失、流域土壤侵蚀及产沙、城市水文泥沙灾 害及环境工程等问题均有重要的科学意义[|-4]。我国 地形复杂多样，坡面水流方向具有多向性，即便是在相 同的植被排列方式下，坡面对不同方向的来水产生的 水流阻力的影响也不相同。研究如何合理种植植被以 应对不同方向及程度的暴雨洪水，从而及时有效地发 挥其阻水和泄水作用,实现水土保持的目的，具有重要 的现实意义。

近几十年来，国内外诸多学者对坡面流水流阻力 的特性及规律进行了研究

收稿日期=2016-04-01

基金项目：国家自然科学基金资助项目（40971021， 41471025);山东省自然科学基金资助项目（ZR2014DM004);山 东省重点研发计划项目（2016GSF117027,2016GSF117036)。作者简介：张景洲（1991—)，男，新疆玛纳斯人，硕士研究生， 研究方向为水文水资源。通信作者：张升堂（1970—)，男，陕西凤翔人，副教授，博士， 主要从事水文水资源方面的研究工作。E-mail ：zst0077@ 163.com以及柳枝做试验，研究了植物的类型、密度、格局以及 水深和流速对阻力系数的影响,指出不同的植物组合 对阻力系数的影响不同

;Musleh F. A.等[7]采用安置在

宽浅水槽中的钢棒模拟洪泛区中刚性非淹没植被对水 力特性的作用机理，研究了水深、流速、钢棒半径以及 不同分布间距的作用关系，结果表明摩擦系数按照非 线性关系随水深增大而增大、随流速增大而减小，植被 密度对流速的影响十分明显；王忖等[8-9]研究了滩地 种树密度、排列方式对水流的影响，采用声学多普勒流 速仪

ADV对滩地种树前后滩槽交界区域的流速场进

行了测量，分析了滩槽交界区域的垂线流速、紊动强度 和雷诺应力的变化;姬昌辉等[10]采用水槽试验研究了

。Li R. M.等[5]利用矩形渠

道研究了树木对水流的阻力作用，得出树木密度与排 列方式影响水流速度、水流阻力随树木密度增大而增 大、糙率系数与平均流速和水力半径乘积现存在一 定的函数关系的结论

;Jarvela J.[6]采用天然水草、莎草

• 93 •

人民黄河2017年第5期

不同水流条件及种植间距的淹没植被曼宁糙率系数的 变化情况，结果表明在相同水流条件下，随着植物排列 间距减小，糙率系数明显增大;叶龙等[11]采用人工植 被坡面水槽试验并引入植物分布特征角，研究了不同 流量及不同底坡条件下植物分布对坡面水流动力学参 数的影响，建立了不同植被分布条件下坡面流阻力系 数的计算方法;张升堂等[^13]通过模拟试验研究了植 被的分布对地表糙率的影响，得出在下垫面相同的条 件下，不同方向的来水其地表糙率的取值不同，同时验 证了其所提出的“矢量糙率理论”；张冠华等[14]通过 断面1-1 图1

断面2-2

变坡水槽示意

模拟降水试验研究了植被的格局对坡面流阻力的影 响，对不同格局坡面流阻力系数进行了比较，并将阻力 系数与其他水力要素建立了函数关系;尹愈强等[15]对 相同密度的植物在同一水流条件下采用标准、交错和 等差三种不同排列方式进行了水槽试验，分析了植被 对水流的时均流速、紊动强度及雷诺应力的影响规律。

虽然关于植被分布对地表水流阻力的研究已有很 多，但多集中于植被的形状、密度以及是否被淹没等方 面。本试验将植被的种植方式与水流方向建立联系， 针对相同的植被排列方式下不同水流方向对坡面流水 流阻力的影响进行研究。为了简化问题，本文借助二 维明渠的阻力概念和表达方法，采用曼宁糙率系数^ 反映坡面糙率变化规律。

1试验设计与试验数据

1.1试验设计

试验装置米用长5.0 m、宽0.4 m、深0.3 m的矩形 水槽，分为上游平水段、试验铺设段、下游量水段，底部 放置钢梁以便调整坡度大小。大量试验研究表明，植 被的排列走向与水流方向的夹角对坡面水流阻力在坡 面比降为0〜3%时有明显的规律性，所以将可变坡的 比降范围设为0〜3%。试验系统由水箱、矩形水槽、量 水堰、测压计等组成。在水槽与水箱连接处有流量控 制阀门，流量变化范围为0〜0.105 m3/s。试验铺设段 长度为3 m，内设卜1、2-2两个断面(见图1)，间距为 1.5 m，每个断面均设有测压管，以便观测水位。水槽 底部铺设有机玻璃板，板上钻孔用于放置模拟植物，孔 与孔的纵横间距aXa = 60 mmx60 mm(见图2)，米用

直径

^ = 0.003 m、高丑=0.150 m的塑料棒模拟刚性植

物。为了研究相同植被排列方式下不同水流方向对坡 面流水流阻力的影响，设计了植被排列走向与水流方 向的夹角0分别为15。、45。、90。的底板，设计了比降分 别为 0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的底坡， 每一^底坡均进行11组试验。

• 94 •

图2

底板示意

1.2试验过程及方法

①将植被排列走向与水流方向成不同夹角的底板 置入水槽中;②通过调整钢梁底部高度对底坡坡度进 行调整，达到预先设定的坡度;③试验开始之前进行流 量调节，通过控制阀门及电磁流量计调整得到所需流 量;④当试验水流稳定后，量测水槽内的水温，利用测 压管观测水位，算出水深;⑤分别按植被排列走向与水 流方向成15。、45。、90。夹角进行试验。1.3试验数据

水流阻力通常采用曼宁糙率系数〃来表征。曼宁 糙率系数的计算公式为

n=R3 J2 / v

R

=-------2 h + b

式中

：R

为断面平均水力半径

;J为断面水力坡度；v为

断面平均流速;b为水槽宽度;h为平均水深。

不同坡面比降、不同植被排列走向与水流方向夹 角及不同水深所对应的曼宁系数计算结果见表1〜

表7。

表1

坡面比降为0时曼宁糙率系数w计算结果

试验组次0 =15。

0=45。

0 =90。h/mn

h/mn

h/mn

10.008

2

0.012

0.010

0.010

0.016

0.0090.0140.0140.0190.0200.0140.01630.021

0.018

0.0250.0210.017

0.01740.0290.021

0.0310.022

0.021

0.0185

0.0380.0230.0330.0230.0270.019

6

0.0450.0260.0370.0250.0340.021

7

0.0520.0280.0430.0240.0420.024

8

0.0620.0310.0500.0260.0510.0249

0.0750.0340.0630.0290.0700.030100.0860.0350.0840.0330.0850.03311

0.099

0.038

0.099

0.035

0.099

0.034

人民黄河2017年第5期

表2坡面比降为0.5%时曼宁糙率系数《计算结果

0 二 15°

0-45°

0-90°

试验组次

A/m

ra

A/m

ra

A/m

ra

10.005 0.0110.006 0.0130.0050.01120.009 0.0130.017 0.0160.0110.01430.013 0.0150.018 0.0160.0160.01640.016 0.0170.030 0.0220.0190.01750.023 0.0200.046 0.0260.0240.01860.029 0.0220.051 0.0260.0270.01970.037 0.0240.066 0.0300.0350.02280.046 0.0270.076 0.0320.0530.02690.066 0.0320.084 0.0330.0650.029100.085 0.0350.089 0.0350.0820.032110.091

0.037

0.090

0.035

0.089

0.033

表3坡面比降为1.0%时曼宁糙率系数«计算结果

0 二 15°

0- 45°

0-90°

试验组次

A/m

ra

A/m

ra

A/m

ra

10.005 0.0160.003 0.0090.0040.00920.011 0.0180.008 0.0130.0090.01230.016 0.0210.011 0.0160.0120.01440.021 0.0220.016 0.0180.0140.01650.028 0.0230.019 0.0190.0170.01760.033 0.0250.025 0.0200.0250.01870.042 0.0270.036 0.0230.0310.01980.050 0.0290.043 0.0240.0400.02190.060 0.0320.058 0.0270.0510.025100.070 0.0340.075 0.0320.0730.030110.086

0.037

0.079

0.031

0.077

0.031

表4坡面比降为1.5%时曼宁糙率系数«计算结果

0 - 15°

0- 45°

0-90°

试验组次

A/m

ra

A/m

ra

A/m

ra

10.003 0.0060.003 0.0090.0050.01620.004 0.0090.007 0.0130.0090.01630.009 0.0130.011 0.0170.0120.01640.015 0.0160.014 0.0180.0140.01850.022 0.0210.018 0.0200.0170.01860.029 0.0240.022 0.0210.0220.02070.037 0.0250.027 0.0220.0360.02180.049 0.0280.033 0.0220.0450.02390.056 0.0290.045 0.0240.0520.025100.067 0.0320.062 0.0280.0650.028110.072

0.033

0.070

0.030

0.071

0.029

表5坡面比降为2.0%时曼宁糙率系数«计算结果

0-15°

0- 45°

0-90°

试验组次

A/m

ra

A/m

ra

A/m

ra

10.002

0.0040.004 0.0120.0040.01220.004 0.0070.007 0.0130.0080.01530.009 0.0110.011 0.0150.0110.01740.012 0.0130.014 0.0160.0180.01950.015 0.0150.017 0.0170.0220.02160.019 0.0160.020 0.0190.0290.02570.027 0.0230.027 0.0230.0390.02680.037 0.0260.032 0.0250.0430.02690.043 0.0260.038 0.0260.0470.025100.053 0.0280.045 0.0250.0520.02511

0.060

0.029

0.059

0.026

0.058

0.024

表6坡面比降为2.5%时曼宁糙率系数《计算结果

0-15°

0-45°

0-90°

试验组次

A/m

ra

A/m

ra

A/m

ra

1

0.0030.0050.0040.0110.0030.01020.0060.0080.0070.0120.0040.01230.0080.0090.0090.0150.0070.01440.0100.0120.0110.0160.0090.01550.0120.0130.0140.0150.0120.01560.0140.0150.0160.0160.0150.01670.0190.0150.0170.0170.0190.01780.0240.0170.0200.0170.0220.01890.0280.0200.0320.0250.0290.023100.0430.0270.0380.0270.0390.027110.046

0.028

0.045

0.028

0.047

0.028

表7

坡面比降为 3.0%时曼宁糙率系数«计算结果

0-15°

0-45°

0-90°

试验组次

A/m

ra

A/m

ra

A/m

ra

1

0.0020.0100.0050.0110.0020.00620.0040.0070.0080.0140.0050.00930.0070.0110.0100.0150.0070.01240.0090.0120.0120.0150.0090.01350.0110.0130.0140.0160.0120.01460.0140.0130.0160.0170.0140.01670.0190.0150.0190.0180.0160.01680.0240.0170.0220.0190.0200.01790.0280.0180.0300.0190.0240.017100.0430.0300.0410.0240.0270.01711

0.046

0.030

0.046

0.029

0.037

0.026

2试验结果及分析

2.1试验结果

图3为不同坡面比降、不同水流方向与植被走向 夹角0的糙率与水深

A

的关系曲线。由图3可以看

出，坡面比降为0〜3.0%时，糙率系数随着平均水深 的增大而增大，与李林华[16]的研究结论一致。由图4 (a)、（e)可以看出，在坡面比降为0和2.0%且水深A

大于0.05 m时，在同一平均水深

A

下，随着夹角0减

小，糙率系数《呈增大趋势;平均水深

A小于0.05 m

时则无此规律性。由图3 ( b)、（ c)可以看出，坡面比

降为0.5%、1.0%时，在同一平均水深下，夹角0越小其 糙率系数^越大。由图3(d)可以看出，在坡面比降为 1.5%且水深

A大于0.02 m时，在同一平均水深A

下，

夹角0越小其糙率系数

ra值

越大;平均水深

A

小于

0.02 m时则无此规律性。随着坡面比降增大至2.5%、 3.0%时(见图3(f)、（g))，糙率系数

ra随

平均水深

A

的增大总体呈增大趋势，但与夹角0的关系无明显的 规律性，原因是坡面比降较大时水流的惯性力增大很 多,远远大于夹角0对糙率系数

ra的影响。

•95.

人民黄河2017年第5期

图3

2.2试验分析

不同坡面比降、不同水流方向与植被走向夹角的n与A关系曲线

涝灾害、水土流失等自然灾害的发生概率。

本试验是在室内进行的，而实际坡面植被分布状 况极其复杂，水流水力特征还受微地形、土壤特性等因 素影响，因此还有待进一步研究。参考文献：

[1] 江明喜，邓红兵，蔡庆华，等.神农架地区珍稀植物沿河岸

带的分布格局及其保护意义[J].应用生态学报，2002,13

♦ 〇.〇%坡度

■ 0.5%坡度

1.0%坡度 + 1.5%坡度

2.0%坡度

20 40 asin 0 /mm

60

由图2可以看出，植被排列方向上的相邻两株植 物间距在垂直水流方向上的投影为

asin (9(0。<沒

<

90。）。随着0增大，asin 0不断增大，阻水能力就越 差，糙率系数〃就越小（见图5)。因此，在坡面比降为 0〜2.0%的范围内，同一^平均水深条件下，植被排列走 向与水流方向的夹角0越小，糙率系数〃就越大。

0.045 r

(11) ：1373-1376.

[2] 邓红兵，王青春，代力民，等.长白山北坡河岸带群落植

物区系分析[J].应用生态学报，2003，14(9) :1405-1410.[3] 李敏，王白春，许林军.黄河流域水土保持战略部署[J ].

人民黄河，2013,35( 10) :122-123,126.

[4] 杨春霞，李永丽，李莉，等.自然修复草被对坡面径流的阻

滞作用研究[J].人民黄河，2014,36(8):94-96.

A-0.030 -

—0.025 -

@0.035 - 0.020〇L

图4不同坡面比降下糙率系数《与《如沒的关系

3结语

(1)

[5]

从^一\"关系曲线图中可以看出，在非淹没状

LI R M，SHEN H W. Effect of Tall Vegetation on Flow and

Sediment [ J]. Journal of the Hydraulics Division， 2014,

99：793-814.

态下，随着平均水深的增加糙率系数的趋势。

(2)

n

值呈不断增大

[6]

JARVELA J. Flow Resistance of Flexible and Stiff Vegetation： a Flume Study with Natural Plants [J]. Journal of Hydrology.

2002, 269 (1-2)： 44-54.

在坡面比降为0〜2.0%时，在同一^平均水深

下，植被走向与水流方向的夹角越小其糙率系数

n

值

[7]

越大，流量较大时此规律更加明显。在坡面比降为 2.5%〜3.0%时植被走向角对糙率系数的影响作用 很小。

在一定坡面比降范围内，同一下垫面条件下，不同 流向的坡面水流具有不同的地表糙率，且植被走向与 水流方向的夹角越小其糙率系数

[8]

MUSLEH F A，CRUISE J F. Functional Relationships of Resist­ance in Wide Flood Plains with Rigid Unsubmerged Vegetation [J]. Journal of Hydraulic Engineering，2006，132(2) ： 163-171. 王忖.植被的河道水流试验研究[D].南京:河海大学，

2003：11-43.

[9] 王忖，赵振兴.河岸植被对水流影响的研究现状[J].水资

源保护，2003，19(6)：50-53.

试验研究[J].水利水运工程学报，2013(6)：60-65.

(下转第111页）

n

值越大，在下垫面

[10] 姬昌辉，洪大林，丁瑞，等.含淹没植被明渠水位及糙率变化

高程确定的情况下，坡面水流方向基本可以确定，即可 以通过合理种植植被以达到阻水、排水的目的，降低洪

• 96 •

人民黄河2017年第5期

育隐伏断层，推测其视倾角为57°;右岸的覆盖层厚度 不超过8 m，强、弱风化层厚度为3〜23 m，在起点距 365〜400 m位置有较厚的风化层，呈风化囊状。

两剖面上断层视倾角在57°〜68。范围内，结合其 他跨河测线剖面推断该断层的倾角为60°左右。

4o

900 1 500 6000 14000

视电阻率/ ( II • m )

3

40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480

起点距/m

(a ) WT02测线高密度电法视电阻率剖面

图5

ZK32钻孔光学成像部分结果

S

/骢榧

CJ3

A2oO A0oO 8o C J 6o

结论

(1) 高密度电法是目前应用非常广泛的工程物

方法，在赤道几内亚某水电站上游调蓄水库工程前寒 武系花岗岩和第四系覆盖的地质条件下，通过合理的 测线布置和数据处理，利用钻孔确定分层视电阻率范

ls/oi

/D

o

/D 骢 oQ

/

榧o

7CoJCJ Co5 JCJ 3

围，能够有效地划分第四系覆盖层与强风化和弱风化 花岗岩及地质构造，经过钻孔岩芯、光学成像资料以及 施工开挖验证了探测结果的可靠性。

(2)

在赤道几内亚的生产条件和该工区的地质

图

3

WT02测线高密度电法视电阻率剖面和物探地质剖面

ZK32钻孔岩芯

件下，一些物探方法不便开展，而高密度电法仪器设备 轻便，仅需要简单的辅助性架设布置就可以开展工作， 同时采集陆地部分和河流段数据，便于获取深部信息， 是比较理想的跨河流断面探测方法。参考文献：[1]

(4)钻孔及施工开挖验证。图4为

部分照片，可见岩芯破碎严重，并且有一部分其他的细粒 物质。图5为

ZK32钻孔光学成像的部分结果，可以看出

该岩层扭曲破碎，是典型的断层特征。钻孔光学成像结 果和钻孔岩芯照片清晰地反映了断层的存在。

沿，2003(1) :171-176.

[2] 傅良魁.电法勘探教程[M].北京:地质出版社，1983:50-80.

丨屬■

董浩斌，王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前

gjjjjSStHHQIBB

冒[3] 李富，刘树才，曹军，等.高密度电阻率法在工程勘察中的

应用[J].工程地球物理学报，2006,3( 2) :119-124.[4] 李广超，朱培民，马若龙，等.高密度电法探查地质构造在

赤道几内亚的应用[J].工程勘察，2010,38(1) :84-88.[5] 姚道平，张艺峰，郑韶鹏.高密度电法在灰岩地区勘察中

的应用[J]工程地球物理学报，2008,5(4):449-452.

【责任编辑张华岩】

图4

ZK32钻孔岩芯部分照片

(上接第96页）

[11] 叶龙，王玉林，刘兴年，等.不同人工植被分布条件下坡

面水流动力学特性试验研究[J].四川大学学报（工程科 学版），2014,46(增刊 2):42-48.

[12] 张升堂，梁博，张揩.植被分布对地表糙率的影响[J].水

土保持通报，2015,35(5):45-48,54.

[13] 张升堂，康绍忠.基于矢量糙率的栅格单元流量分配模

型[J].水利学报，2005,36(11):57-61.

[14] 张冠华，刘国彬，易亮.植被格局对坡面流阻力影响的试

验研究[J].水土保持学报，2014,28(4):55-59，109.水流影响的试验研究[J].中国水运，2014，14 (3): 169-171.

[16] 李林华.浅析糙率曲线在单值化水位流量关系测站的应

用[J].水文，1998(3):58-61.

【责任编辑张华兴】

[15] 尹愈强，杨轶凡，崔世恒，等.植物不同排列方式对明渠

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