Еstimating the Chézy roughness coefficient as a characteristic of hydraulic resistance to flow in river channels: a general overview, existing challenges, and ways of their overcoming
DOI:
https://doi.org/10.32347/2411-4049.2021.3.16-43Ключові слова:
емпіричні характеристики, гідравлічний опір, відкриті потоки, річкова гідравліка, річкові русла, коефіцієнт шорсткості ШезіАнотація
У роботі подано систематизований огляд проблеми розрахунку коефіцієнта шорсткості Шезі як однієї з емпіричних характеристик гідравлічного опору, яка найбільш часто використовується на практиці. Огляд подається в контексті формування достовірних емпіричних даних, необхідних для підтримки гідротехнічних розрахунків та математичного моделювання відкритих потоків у руслах річок. Актуальність проблеми обумовлена великою кількістю практичних завдань, які потребують такого попереднього дослідження. У багатьох випадках точність визначення емпіричних характеристик гідравлічного опору може значною мірою вплинути на точність вирішення завдань річкової гідравліки, що стосуються проектування гідротехнічних споруд та управління водними ресурсами річок, незалежно від обраних математичних моделей або методів.
Річки характеризуються значним різноманіттям умов течії, тому гідравлічний опір потокам у річках може змінюватися в широких межах, визначаючи пропускну здатність русел. Якщо взяти до уваги різноманітність гідроморфології та гідрології річок, коефіцієнт шорсткості Шезі видається найбільш повною характеристикою гідравлічного опору відкритим потокам у річкових руслах порівняно з іншими інтегральними емпіричними характеристиками гідравлічного опору.
В даний час існує велика кількість емпіричних і напівемпіричних формул для розрахунку коефіцієнта шорсткості Шезі. Основною метою цього дослідження було проаналізувати та систематизувати їх у контексті забезпечення належної підтримки завдань річкової гідравліки, зокрема математичного моделювання відкритих потоків в річках. Для досягнення мети дослідження було проведено огляд літератури щодо проблеми визначення інтегральних характеристик гідравлічного опору відкритій течії в річкових руслах, а також досліджено та систематизовано найбільш відомі формули, які використовуються для розрахунку коефіцієнта шорсткості Шезі на практиці. Загалом було проаналізовано та систематизовано 43 формули для розрахунку коефіцієнта шорсткості Шезі, а також 13 формул, які можна використовувати для оцінки коефіцієнта шорсткості Маннінга. На основі всіх цих формул можна скласти близько 250 емпіричних рівнянь для розрахунку коефіцієнта Шезі залежно від гідроморфологічних особливостей річок та річкових русел, гідравлічних умов, меж застосування формул тощо.
Посилання
Abbott, P. L. (1996). Natural Disasters. Wm. C. Brown Publishing Co, 438 p.
Korbutiak, V., Stefanyshyn, D., Lahodniuk, O., and Lahodniuk, A. (2020). The combined approach to solving issues of the flood hazard assessment using water gauge records and spatial data. Acta Sci. Pol. Architectura, 19 (1), 111–118; DOI: https://doi.org/10.22630/ASPA.2020.19.1.12.
Hydropower Status Report. Sector trends and insights. (2020). IHA. Available from https://www.hydropower.org/publications/2020-hydropower-status-report.
Riverine Ecosystem Management. Science for Governing Towards a Sustainable Future. (2018). Schmutz, S., and Sendzimir, J., Editors. Aquatic Ecology Series. Volume 8. Springer Open, 562 p.
Kakoyannis, Ch., and Stankey, G.H. (2002). Assessing and evaluating recreational uses of water resources: implications for an integrated management framework. Gen. Tech. Rep. GTR-536. Portland, OR: U.S. Dep. of Agriculture, Forest Service, Pacific Northwest Research Station, 59 p.
River tourism. (2009). Ed. by Prideaux, B., and Cooper, M. Oxfordshire: CABI Publishing, 269 p.
Kummu, M., de Moel, H., Ward, and P.J., Varis, O. (2011). How Close Do We Live to Water? A Global Analysis of Population Distance to Freshwater Bodies. PLoS ONE 6(6): e20578; https://doi.org/10.1371/journal.pone.0020578.
Chow, V.T. (1959). Open-channel hydraulics. N.Y., McGraw-Hill, 680 p.
French, R.H. (1986). Open-channel hydraulics. N.Y., McGraw-Hill, 705 p.
Sturm, T.W. (2001). Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill, N.Y., 493 p.
Introduction to hydrology. (1975). First ed. by W., Viessman, Jr., T. E., Harbaugh, and J. W., Knapp. Intext ed. publishers. N.Y., London, 704 p.
Mujumdar, P.P. (2001). Flood wave propagation. Reson 6, 66–73; https://doi.org/10.1007/BF02839085.
Veksler, A.B., Ivashintsov, D.A., and Stefanishin, D.V. (2002). Reliability, social and environmental safety of hydraulic structures: risk assessment and decision making. St. Petersburg: VNIIG B.E. Vedeneeva, 591 p. (in Russian).
Ponce, V.M., Taher-shamsi, A., and Shetty, A.V. (2003). Dam-Breach Flood Wave Propagation Using Dimensionless Parameters. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 129, Issue 10, 777–782; DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:10(777).
River channels: environment and processes. (1987). Institute of British Geographers Special Publications. By K., Richards. Wiley–Blackwell, 400 p.
Julien, P.Y. (2002). River Mechanics. Cambridge University Press, UK, 456 p.
Schodro, A.E. (2007). River Bed Deformations Near Banks and Hydraulic Structures due to River Flow. Proc. of 4th Int. Conf. on River Basin Management Including all Aspects of Hydrology, Ecology, Environmental Management, Flood Plains and Wetlands. WIT-Press, Southampton, Boston, 381–387.
Khodnevich, Y.V., and Stefanyshyn, D.V. (2014). Mathematical modelling the conditions of intensification of the riverbed local erosion behind of obstacle that deviates from the shore downstream. Zeszyty Naukowe Inżynieria Lądowa i Wodna w Kształtowaniu Środowiska, Nr 10, Kalisz, 7–18.
Julien, P.Y. (2010). Erosion and sedimentation. Cambridge University Press, 371 p.
Fagherazzi, S., Edmonds, D. A., Nardin, W., Leonardi, N., Canestrelli, A., Falcini, F., Jerolmack, D.J., Mariotti, G., Rowland, J.C., and R. L. Slingerland (2015). Dynamics of river mouth deposits. Rev. Geophys., 53, 642–672; doi: https://doi.org/10.1002/2014RG000451.
Cao, Z. and Carling, P. A. (2002). Mathematical modelling of alluvial rivers: reality and myth. Part I: General review. Proc. of the Institution of Civil Engineers Water & Maritime Engineering, 154, Issue 3, 207–219.
Two-Dimensional Hydraulic Modeling for Highways in the River Environment. Ref. Document. (2019). Publ. No. FHWA-HIF-19-061, U.S. Department of Transportation, FHWA, 301 p. Available from https://portal.ct.gov/-/media/DOT/documents/ddrainage/2-D-Hydraulic-Modeling-Reference-Document.pdf.
Nikishov, V.I. (2007). From hydraulics of open streams to hydromechanics of river systems. Applied hydromechanics, Vol. 9, No. 2-3, 103–121. (in Russian).
The UN-Water Status Report on the Application of Integrated Approaches to Water Resources Management. (2012). Nairobi, Kenya, 119 p. Available from https://www.un.org/waterforlifedecade/pdf/un_water_status_report_2012.pdf.
De Wrachien, D., Mambretti, S. and Sole, A. (2010). Mathematical models in flood management: overview and challenges. WIT Transactions on Ecology and the Environment, Vol. 133, 61–72; doi: https://doi.org/10.2495/FRIAR100061.
Gül, G.O., Harmancıoğlu, N., Ali Güll, A. (2010). A combined hydrologic and hydraulic modelling approach for testing efficiency of structural flood control measures. Nat. Hazards, 54, 245–260; DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-009-9464-2.
Kasvi, E., Alho, P., Lotsari, E., Wang, Y., Kukko, A., Hyyppä, H., and Hyyppä, Yu. (2014). Two-dimensional and three-dimensional computational models in hydrodynamic and morphodynamic reconstructions of a river bend: sensitivity and functionality. Hydrological Processes, Pub. online in Wiley Online Library; DOI: https://doi.org/10.1002/hyp.10277.
Giustolisi, O. (2004). Using genetic programming to determine Chézy resistance coefficient in corrugated channels. Journal of Hydroinformatics, 06.3, 157–173.
Hin, L.S., Bessaih, N., Ling, L.P., Ghani, A.A., Zakaria, N.A., and Seng, M.Y. (2008). A study of hydraulic characteristics for flow in equatorial rivers. International Journal of River Basin Management, 6:3, 213–223. DOI: https://doi.org/10.1080/15715124.2008.9635349.
Machiels, O., Erpicum, S., Archambeau, P., Dewals, B., and Pirotton, M. (2009). Bottom friction formulations for free surface flow modeling, Proc. of the 8th NCTAM Congress, Brussels. Available from http://hdl.handle.net/2268/28208.
Dash Saine S., Khatua, K.K., Naik, B., and Mohanty, P.K. (2013). Energy loss for a highly Meandering open Channel Flow. Research J. of Eng. Sciences. Vol. 2 (4), 22–27.
Stewart, M.T., Cameron, S. M., Nikora, V. I., Zampiron, A., and Marusic, I. (2019). Hydraulic resistance in open-channel flows over self-affine rough beds. J. of Hydraulic Research, 57:2, 183–196; DOI: https://doi.org/10.1080/00221686.2018.1473296.
Zhu, X., Liu, B., and Liu, Y. (2020). New Method for Estimating Roughness Coefficient for Debris Flows. Water, 12, 2341; doi: https://doi.org/10.3390/w12092341.
Fenton, J.D. (2010). Calculating resistance to flow in open channels. Alternative Hydraulics Paper 2. Available from http://johndfenton.com/Alternative-Hydraulics.html.
Dyakonova, T., and Khoperskov, A. (2018). Bottom friction models for shallow water equations: Manning’s roughness coefficient and small-scale bottom heterogeneity. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 973. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/973/1/012032.
Liang, D., Falconer, R.A., and Lin, B. (2007). Linking one- and two-dimensional models for free surface flows. Water Management, Vol. 160, Issue 3, 145–151; https://doi.org/10.1680/wama.2007.160.3.145.
Wang, Yu., Liang, Q., Kesserwani, G., and Hall, J.W. (2011). A 2D shallow flow model for practical dam-break simulations, Journal of Hydraulic Research, 49:3, 307–316; DOI: https://doi.org/10.1080/00221686.2011.566248.
De Wrachien, D., Mambretti, S., and Sole, A. (2010). Mathematical models in flood management: overview and challenges. WIT Trans. on Ecology and the Environment, Vol. 133. Flood Recovery, Innovation and Response, 61–72. DOI: https://doi.org/10.2495/FRIAR100061.
Costabile, P., Costanzo, C., Maccione, F., and Mercogliano, P. (2012). Two-dimensional model for overland flow simulations: A case study. Eur. Water 38, 13–23.
Lousada, S., Loures, L. (2020). Modelling Torrential Rain Flows in Urban Territories: Floods – Natural Channels (The Case Study of Madeira Island). American Journal of Water Science and Engineering, Vol. 6, No. 1, 17–30. DOI: https://doi.org/10.11648/j.ajwse.20200601.13.
Park, I., Song, Ch.G. (2018). Analysis of two-dimensional flow and pollutant transport induced by tidal currents in the Han River. Journal of Hydroinformatics, 20 (3): 551–563; DOI: https://doi.org/10.2166/hydro.2017.118.
Esposti Ongaro, T., Cerminara, M., Charbonnier, S.J. et al. (2020). A framework for validation and benchmarking of pyroclastic current models. Bull. Volcanology, 82, 51; DOI: https://doi.org/10.1007/s00445-020-01388-2.
Qin, X., Motley, M., LeVeque, R., Gonzalez, F., and Mueller, K. (2018). A comparison of a two-dimensional depth-averaged flow model and a three-dimensional RANS model for predicting tsunami inundation and fluid forces. Natural Hazards Earth System Sci., 18, 2489–2506; DOI: https://doi.org/10.5194/nhess-18-2489-2018.
HEC-RAS River Analysis System. User’s Manual V. 6.0. (2021). US Army Corps of Engineers. Inst. for Water Resources. Hydrologic Eng. Center. Available from https://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/documentation/HEC-RAS_6.0_Users_Manual.pdf.
Churuksaeva, V., Starchenko, A. (2015). Mathematical modeling of a river stream based on a shallow water approach. Procedia Computer Science, 4th Int. Young Scientists Conf. on Computational Science,Vol. 66, 200–209; doi: https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.11.024.
Stefanyshyn D.V., Korbutiak V.M., Stefanyshyna-Gavryliuk Y.D. (2019). Situational predictive modelling of the flood hazard in the Dniester river valley near the town of Halych. Environmental safety and natural resources, Issue 1 (29), 16–27; DOI: https://doi.org/10.32347/2411-4049.2019.1.16-27.
Sellier, M. (2016). Inverse problems in free surface flows: a review. Acta Mechanica, 227, 913–935; https://doi.org/10.1007/s00707-015-1477-1
Ivashintsov, D.A., Sokolov, A.S., Shulman, S.G., and Yudelevich, A.M. (2001). Parametric identification of hydraulic structural design models. St. Petersburg, VNIIG B.E. Vedeneeva, 431 p. (in Russian).
Lagodnyuk, A.M., Korbutyak, V.M., Stefanyshyn, D.V. (2016). Identification of floodplains roughness coefficient with using remote sensing data to support mathematical modelling of unsteady water movement under floods. Environmental safety and natural resources, Issue 2 (22), 83–94. (in Ukrainian).
Radoux, Ju., Chomé Gu., Jacques, D.-Ch., Waldner, F., Bellemans, N., Matton, N., Lamarche, C., d’Andrimont, R., and Defourny, P. (2016). Sentinel-2’s Potential for Sub-Pixel Landscape Feature Detection. Rem. sensing, 8, 488; doi: https://doi.org/10.3390/rs8060488.
Bacoţiu, C. (2020). The quest for the ideal Darcy-Weisbach friction factor equation from the perspective of a building services engineer. Ovidius University Annals Series: Civil Engineering, Vol. 21, No. 1, 65–73; DOI: https://doi.org/10.2478/ouacsce-2019-0008.
Zheleznyakov, G.V. (1981). Throughput ability of channels of canals and rivers. Leningrad, Gidrometeoizdat, 311 p.
Shterenlicht, D.V. (1984). Hydraulics. Moscow, Energoatomizdat, 640 p.
Coon, W.F. (1998). Estimation of roughness coefficients for natural stream channels with vegetated banks. Prepared in cooperation with the New York State Department of Transportation, 133 p.
Hydraulic calculations of spillway hydraulic structures. (1988). Reference manual. Moscow, Energoatomizdat, 624 p. (in Russian).
Baryshnikov, N.B. (2003). Hydraulic resistance of river channels. Tutorial. St. Petersburg, Russian State Hydrometeorological University, 147 p. (in Russian).
Baryshnikov, N.B. (2016). Channel flow dynamics. St. Petersburg, Russian State Hydrometeorological University. 342 p. (in Russian).
Strupczewski, W.G., Szymkiewicz, R. (1996). Analysis of paradoxes arising from the Chezy formula with constant roughness: I. Depth-discharge curve. Hydrological Sciences Jour., 41:5, 659–673; DOI: https://doi.org/10.1080/02626669609491537.
Jiménez-Medina, O. (2015). Fórmulas generales para los coeficientes de Chézy y de Manning. Water Technology and Sciences, 6 (3), 33–38 (in Spanish).
Lama, G.F.C., Errico, A., Francalanci, S., Solari, L., Preti, F., and Chirico, G.B. (2020). Evaluation of Flow Resistance Models Based on Field Experiments in a Partly Vegetated Reclamation Channel. Geosciences, 10, 47; doi: https://doi.org/10.3390/geosciences10020047.
Khatua, K.K., Patra, K.C., and Nayak, P. (2011). Meandering effect for evaluation of roughness coefficients in open channel flow. River Basin Management VI. WIT Trans. on Ecology and the Environment, Vol. 146, 213–224; doi: https://doi.org/10.2495/RM110191.
Zidan, A. R. A. (2015). A review of friction formulae in open channel flow. International Water Technology Journal, Vol. 5, No. 1, 43–57.
Wang, W.-J., Peng, W.-Q., Huai, W.-X., Katul, G.G., Liu, X.-B., Qu, X.-D., and Dong, F.(2019). Friction factor for turbulent open channel flow covered by vegetation. Scientific reports. 9:5178; doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-41477-7.
Zeghadnia, L., Robert, J. L., and Achour, B. (2019). Explicit solutions for turbulent flow friction factor: A review, assessment and approaches classification. Ain Shams Engineering Jour., 10, 243–252; doi: https://doi.org/10.1016/j.asej.2018.10.007.
Arcement, G.J., and Schneider, V.R. (1989). Guide for Selecting Manning’s Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains. United States Geological Survey, Water-supply Paper 2339; doi: https://doi.org/10.3133/wsp2339
Kim, Ji-S., Lee, Ch.-J., Kim, W., and Kim, Y.-J. (2010). Roughness coefficient and its uncertainty in gravel-bed river. Water Science and Engineering, Vol. 3, No. 2, 217–232; doi: https://doi.org/10.3882/j.issn.1674–2370.2010.02.010.
Al-Asadi, K., and Duan, J.G. (2017). Assessing methods for estimating roughness coefficient in a vegetated marsh area using Delft3D. Journal of Hydroinformatics, 19(5), 766–783; DOI: https://doi.org/10.2166/hydro.2017.064.
Ye, A., Zhou, Zh., You, J., Ma, F., and Duan, Q. (2018). Dynamic Manning’s roughness coefficients for hydrological modelling in basins. Hydrology Research, 49. 1379–1395; DOI: https://doi.org/10.2166/nh.2018.175.
Sadeh, Y., Cohen, H., Maman, S., and Blumberg, D.G. (2018). Evaluation of Manning’s n Roughness Coefficient in Arid Environments by Using SAR Backscatter. Remote Sensing, 10, 1505; doi: https://doi.org/10.3390/rs10101505.
Mamedov, A. Sh. (2011). On the calculation of the Chezy coefficient of the river flow. Hydraulics, hydrology, water resources, 3, 62-67. (in Russian).
Achour, B. (2015). Chezy’s Resistance Coefficient in a Rectangular Channel. Journal of Scientific Research & Reports, 7(5), 338–347.
Karim, L., and Larue, J.-P. (2016). Évaluation du Coefficient De Frottement Dans Le Cas D’un Écoulement À Surface Libre. European Scientific Journal, Vol.12, No.15, 418–433; doi: https://doi.org/10.19044/esj.2016.v12n15p418. (in French).
Lepikhin, A.P., Bogomolov, A.V., Dalkov, M.P. (2012). Estimation of the Chezi coefficient: tradition and state of the art. Water management of Russia, No. 3, 57–77. (in Russian).
Karasev, I.F. (2007). Hydraulic resistance and system morphometry of self-forming riverbeds and canals. Bulletin of the Russian State Pedagogical University, No. 7 (26), 153–164. (in Russian).
Limerinos, J. (1970). Determination of the Manning Coefficient From Measured Bed Roughness in Natural Channels. Studies of flow in alluvial channels. US Government printing office, Washington, 51 p.
Altshul, A.D., U-Van Thein. (1973). Comparison of formulas without roughness coefficient for determining the average water flow velocity in rivers. Hydrotechnical construction, No 1, 41–42. (in Russian).
Volynov, M.A. (2011). The carrying capacity of self-regulating river channels. Environmental management, No 5, 66–70. (in Russian).
Grishanin, K.V. (1979). The dynamics of channel flows. Leningrad, Gidrometeoizdat, 312 p. (in Russian).
Loukam, I., Achour, B., Djemili, L. (2018). Chezy’s resistance coefficient in an egg-shaped conduit. Journal of Water and Land Development, No. 37, 87–96; DOI: https://doi.org/10.2478/jwld-2018-0028.
Borsuk, O.N. (1960). Influence of waves and water level pulsations on mountain rivers on the accuracy of water-measuring observations. Proc. of the State Hydrological Institute, Issue 90. (in Russian).
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Dmytro V. Stefanyshyn, Yaroslaw V. Khodnevich, Vasyl M. Korbutiak
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Збірник «Екологічна безпека та природокористування» працює у рамках міжнародної ліцензії Creative Commons Attribution («із зазначенням авторства») 4.0 International (CC BY 4.0).
Ліцензійна політика журналу сумісна з переважною більшістю політик відкритого доступу та архівування матеріалів.
