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河流是陆地表面上经常或间歇有水流动的线形天然水道,它与人类文明的诞生和发展息息相关。山区河流是源于山地和位于山地地区的河流,其河床由水流不断地纵向切割和横向拓宽形成,河床比降大、纵剖面陡峻,横断面形态多呈宽深比较小的V字形(峡谷段)或U字形(展宽段),且两岸与河心常有巨石突出,岸线和床面极不规则。因此,山区复杂河道的阻水规律难以定量描述,影响河道塑形的关键参数亦尚不明确。本研究选择太子城河流域的典型山区河流,开展大、小两个尺度的野外水力实验,研究了山区复杂河道的阻力系数与影响河道塑形的关键参数,主要结论如下:一、大尺度山区河流的阻力系数研究表明,1)河道上游曼宁系数n值较大而中下游较小,且干支流交汇处不同河道的n无显著差异;2)n值及其变化趋势受水文期条件制约;3)n与水深h和雷诺数Re有较好的幂函数关系,与弗劳德数Fr有较好的对数函数关系,曼宁系数与水深之比n/h和Re呈幂函数负相关关系;4)在p<0.01的显著性水平下,n-h、n-Re和n-Fr之间关系的拟合优度R2均达到0.82以上,能够较好地反映n受水流状态的影响。二、小尺度典型河段的阻力系数研究表明,1)与大尺度山区河流相比,小尺度典型河段n的沿程变化规律更加稳定,并且与河段特征显著相关;2)不同典型河段的n与h均存在幂函数正相关关系,典型土石岸坡河段n-h的幂函数关系有着更好的预测效果,但砾石型复杂河段n-h关系的幂指数与其它河段差异较大,其原因在于河床砾石复杂结构对水流的扰动及其对河床阻力的影响;3)幂函数能较好地描述n与Re的负相关关系、n与Fr的正相关关系;4)n/h与Re之间的关系可用对数函数拟合;5)尽管不同典型河段间有一定差异,但n-h、n-Re和n-Fr之间的关系仍是预测山区小尺度典型河段阻力系数的最佳方式。三、大尺度山区河流的塑形参数研究表明:1)坡度i的预测公式是以河床剪切应力τ、断面积A和总流能量E为自变量的线性函数(R2=0.788、p<0.01);2)河宽B的预测公式是以A、E、水力半径R和临界水深hc为自变量的线性函数(R2=0.854、p<0.01);3)h的预测公式是以R、A、τ和E为自变量的线性函数(R2=0.982、p<0.01);4)A、E和τ是决定大尺度山区河道塑形的关键参数;5)流量 Q 与 h、B 和流速 v 之间的关系h=0.326Q0.338、B=4.305Q0.207、v=0.683Q0.414验证了下水力几何模型,确定了模型的主要参数。四、小尺度典型河段的塑形参数研究表明:1)i的预测公式是以τ、n/h和正常水深hn为自变量的线性函数(R2=0.434、p<0.01);2)B的预测公式是以A、Q和断面单位能量Es为自变量的线性函数(R2=0.903、p<0.01);3)h的预测公式是Fr、Re、E、Q和n为自变量的线性函数(R2=0.861、p<0.01);4)Q是决定山区河流小尺度典型河段塑形的关键参数;5)Q与h、B和v之间的关系h=0.533Q0.539、B=3.655Q0.287、v=0.512Q0.165验证了下水力几何模型,确定了模型的主要参数;6)相对于大尺度,小尺度典型河段的水力几何描述方程组对河道形态参数的预测效果更好。复杂河道水动力学特性研究是当代生态水工学的前沿领域,本文基于野外实验,系统研究了山区复杂河道的阻力系数与河道塑形参数,研究结果可为山区复杂河道生态治理工程的构建提供借鉴。