山区河道中水流阻力形成机制及定量化的实验研究

As an important impact to mountain torrents propagation, flow resistance is a pivotal factor in flood forecasting. But the methods for determing the value of flow resistance, such as empirical equation or back-calculating using field data, often fail in mountain rivers, because of complex topography which makes great variation of resistance, and lack of systematic field data of flow resistance in mountain rivers. It is quite difficult to calculate flow resistance in mountain rivers exactly because there are too many influencing factors under consideration, so in this study we check the mechanism of flow resistance and try to understand its physical origins and principles first by analysing field data. Based on it, flow resistance can be partitioned into several parts according to their physical origin and each part should be explicit in physical meaning. Then a series of experiments can be conducted according to resistance partitioning method to get the relationship between resistance partitions and its physical origin, from which we can obtain expressions for each partition. Finally these resistance partition will be synthesized to total resistance that is flow resistance in mountain rivers and this synthesis should be based on the relationships between resistance partitions which are obtained also by experiments. This study will offers theory and technology support for flood forecasting and disaster prevention and reduction.

水流阻力是影响山洪行进过程的重要因素，其取值是决定山洪计算和预报准确性的关键性因素。由于山区河道地形复杂多变，其阻力变化幅度较大，且难以取得系统性实测资料，因此常用于普通河道中阻力的确定方法，如经验取值法或根据实测资料反推阻力系数值等方法均难以适用于此。鉴于水流阻力影响因素众多，直接从总体上描述其值大小存在巨大困难，本研究拟从山区河道洪水过程中水流阻力形成的机制出发，通过分析野外实测数据，明确阻力的来源及其形成的物理机理，在此基础上将总体阻力划分为具有明确物理意义的单元阻力，并根据阻力来源分别设计室内试验，得到各个单元阻力的取值与其物理来源之间的关系，由此得到单元阻力数值的具体表达式以及各单元阻力之间的关系，最终将各单元阻力值按照互相作用关系进行叠加得到山区河道水流阻力的计算式，为山洪预报和防灾减灾提供理论支撑和技术支持。

山区河道的显著特征是陡峭的底坡，一般坡度大于1%，泥沙组成复杂，床沙级配宽广，大多数具有典型的阶梯-深潭地形，特殊的地形特征使得河道水流阻力变化幅度较大，且形成水流阻力损失的来源较多，山区河道水流计算中阻力系数难以确定。水流阻力是反映水流运动特性的一个重要参数，是影响水流行进过程、河道输沙规律的关键因素，尤其是对山区河道中山洪演进和推移质输移具有重要的意义。以往的研究成果难以从理论上确定阻力大小，甚至直接从数值上确定阻力系数值都存在巨大难度。本项目开展了较为系统的原型观测研究，同时收集了已有的野外观测资料，获取了降雨、水文、泥沙、土壤与河床等野外现场数据。依据实测资料的分析结果，揭示了山区河道水流阻力的形成机制，将水流阻力来源按照其形成机制进行划分和归类，将综合阻力划分为阻力来源较为单一的单元阻力，得出了各阻力单元的量化原则和量化参数。采用水槽实验和野外观测数据确定了各阻力单元的具体量化方法，得到了各阻力单元的具体的计算式，最终提出了提出了山区河道水流综合阻力量化方法。本项目得到的重要成果主要包括：.（1）揭示了阻力形成机制，并据此提出了阻力划分依据。依据小扰动理论和实测的山区河道数据将河道阻力划分为三个单元，即基础阻力、床面突起阻力、地貌阻力，推导出了综合阻力系数与单元阻力系数之间的关系； .（2）提出阻塞度来量化床面突起所造成水流阻力。基于阻力形成机制，将多种物理来源所造成的突起阻力采用一个因素进行描述，通过实测资料拟合及理论分析，得到了简洁而实用的床面突起阻力计算方法： .（3）提出了山区河道水流阻力表达式。综合考虑河流地貌的阻力影响，以河床底坡为主要因子，依据单元阻力之间的关系式，在各单元阻力的具体计算式的基础上最终提出了山区河道水流阻力的量化方法，推出了具有一定普适性的山区河流水流阻力计算表达式。.本项目研究成果给出了山区河道水流阻力的具体量化方法，进一步丰富了水力学基本理论，为提高水流模拟精度尤其是山洪计算精度提供了理论支撑。