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标题: 3EWATER中曼宁系数的应用 [打印本页]

作者: 三易思创 时间: 2017-10-31 16:59
标题: 3EWATER中曼宁系数的应用
曼宁系数

在之前的文章中，我们介绍了3EWATER中关于底部粗糙度的选择及糙率系数的影响因素。根据《水文测验试行规范》和《水文测验手册》的规定，《中华人民共和国水文年鉴》中涉及到的河道糙率值均为曼宁公式求得。

谢才公式、曼宁公式、谢才系数与曼宁系数转换如下：

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河道糙率是河床表面粗糙程度物理性指标，其构成因素河床质的组成和结构、河道断面的形态和变化、岸坡特征和植被以及水流的平面变化情况等，限于经济技术水平和条件，目前还无法对这些构成因素进行定量分析。

在系统地进行糙率研究时，只能是根据调查和实测到的水文资料进行定性描述，比如河床质的大小和多少、河道断面的形态（窄深或宽浅型）和变化（顺直、上宽下窄或上窄下宽）、岸坡特征和植被（低灌或高杆农作物）等尽量地使用数字进行文字性描述。

在3EWATER中提供曼宁系数的参考值，用户可以打开GISMODEL，加载模型的网格，对网格点进行赋值，如下图所示：

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图1在GISMODEL中设置粗糙度

勾选“底部粗糙度”的方框，可以设置每个网格点处的粗糙度。点击右侧的问号图标，可以打开曼宁系数的参考值，分为人工渠道和天然河道两类，如下图：

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图2人工渠道的曼宁系数参考值

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图3天然河道的曼宁系数参考值

曼宁系数的应用

我们用一个模型来说明曼宁系数的应用。

选择研究区域为如下弯曲的河道：

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图4模型的研究区域

在GISFLOW中选择“粗糙度”进行设置，用户可以选择三种底部粗糙度公式，默认的公式为谢才系数，默认的固定值粗糙度系数为65，用户也可以加载之前生成的粗糙度文件。我们选择曼宁公式，曼宁系数设置为固定值，分别为0.01、0.02、0.03和0.04。

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图5在GISFLOW中设置粗糙度

计算结果如下：

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图6不同曼宁系数下的水位

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图7不同曼宁系数下的流速

两图分别是曼宁系数n在不同值的情况下监测点的水位和流速的变化对比。

可以看到，曼宁系数越大，河床底部的粗糙度越大，河床施加于水体的底部切应力增加（底部切应力方向与水流方向相反，对水流起阻碍作用），水体的动能减小，因此水流流速减小。在流量一定的情况下，水位上升。

同时需要注意的是，曼宁系数越大，计算结果能够更快达到稳定，这是因为底部切应力对于水体能量有耗散作用，曼宁系数越大，耗散作用越强，模型初期的数值振荡由于这种耗散作用能够更快的达到稳定。

在模型的率定过程中，曼宁系数是一个很重要的参数，它对于水的流速有十分重要的影响，必要情况下还需要设置空间变化的曼宁系数。

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