人工河道斷面水面流速系數(shù)的探討

戴菊真

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人工河道斷面水面流速系數(shù)的探討

戴菊真

泉州市山美水庫管理處

人工河道斷面水面流速系數(shù)在無精測法資料可供對比分析的情況下，采用比照同類站直接選用具有一定的盲目性。以0.6相對水深測速代表平均流速，作為計算斷面平均流速的標(biāo)準(zhǔn)值，以較為接近天然河流的對數(shù)型垂線流速分布公式為理論依據(jù)，與采用假定水面流速系數(shù)測速的斷面平均虛流速進行比較，分析水面流速系數(shù)。并用數(shù)理統(tǒng)計的量化標(biāo)準(zhǔn)反證所求水面流速系數(shù)是比較簡便易行的。

人工河道斷面 水面流速系數(shù) 流量測驗

水面流速系數(shù)是斷面實測流量與同時施測水面流速計算出的虛流量之比值?！逗恿髁髁繙y驗規(guī)范》GB50179－93中規(guī)定：暢流期水面流速系數(shù)應(yīng)由多點法測速資料或其他加測水面流速的資料分析確定，或根據(jù)實測的水面比降、河床糙率等資料分析計算?！端臏y驗手冊》中，給出了天然河道在沒有資料時，可參照選用的水面流速系數(shù)K1值表，還給出了有實測河床糙率資料及與弗汝德數(shù)Fr1、水面比降有關(guān)的水面流速系數(shù)計算式。

本文探討無多點法測速資料或其他加測水面流速的資料情況下，河道流量測驗中如何合理地確定水面流速系數(shù)。解決以下兩個問題：①《水文測驗手冊》給出了天然河道的水面流速系數(shù)參照表能否直接用于人工河道斷面上？如果比照同類站直接選用系數(shù)，選用值的衡量標(biāo)準(zhǔn)是什么？②計算水面流速系數(shù)的卡門參數(shù)同水面虛流速和垂線平均流速及水面比降有關(guān)，在沒有精測資料的情況下，卡門參數(shù)如何推求？水面比降怎樣確定？現(xiàn)以永春（三）站1999年～2002年實測資料分析為例，對上述問題做初步探討。

1 基本情況及發(fā)現(xiàn)的問題

1.1 永春（三）站測驗河段基本情況

永春（三）站于1994年遷移到現(xiàn)斷面。1998年建防洪堤，河段順直，河底經(jīng)人工整理比較平整。兩岸為漿砌塊石，斷面呈矩形，河底為河卵石，受沖淤變化小。

1.2 永春（三）站流量測驗情況

本站流速儀測流斷面寬92.5m，布設(shè)測速垂線數(shù)10條，每條垂線用一點法測速，水深測量采用纜道測深或套用實測大斷面。

1999年～2002年4年施測的全部流量資料中，有采用水面一點法流量30份，相對水深0.6的50份，其他為半深及混合法測速。該站水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)比照參考其他站的情況和《水文測驗手冊》給出的參照表，用0.80和0.90，系數(shù)未經(jīng)試驗分析。

1.3 流量資料整編中發(fā)現(xiàn)的問題

水位流量關(guān)系反曲。以現(xiàn)采用的水面流速系數(shù)計算出的斷面平均流速關(guān)系繪出的水位～流量關(guān)系曲線呈反曲趨勢，與矩形河道斷面水位流量關(guān)系的實際情況不符。

水面一點法測速系數(shù)系統(tǒng)偏小。點繪不同施測方法的水位～流速關(guān)系，可以看出在中水部分，由于采用水面一點法測速，使流速明顯偏小，初步分析是水面流速系數(shù)取值不當(dāng)造成的。

2 水面流速系數(shù)的確定

2.1 方法及理論依據(jù)

影響水面流速系數(shù)的因素主要有斷面形狀、河床糙率、水面比降等。《水文測驗手冊》給出如下水面流速系數(shù)K1計算式：

卡門參數(shù)k可通過實測資料按下式計算：

V0為水面流速，Vm為垂線平均流速。

在水文測驗中，對于寬淺的河道水流，通常采用的流速分布公式為對數(shù)曲線型公式。因此，垂線上任意點流速V與垂線平均流速Vm的關(guān)系為：

V=Vm+(V*/k)(1+lnη)

當(dāng)V=Vm時，(V*/k)(1+lnη)=0。因V*/k不等于零，故（1+lnη）必等于零，此時η=0.37。水文測驗常采用相對水深0.6處的流速作為垂線平均流速，其理論根據(jù)就在于此。為此，以相對水深0.6的水位～流速關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，進行卡門參數(shù)k的計算。

2.2 分析步驟

統(tǒng)計永春（三）站1999年～2002年各流量測次的水位、流量、流速、面積、測速時流速儀的相對位置等。

將不同方法測流的水位～流速關(guān)系點據(jù)同繪在一張圖中，點據(jù)分布呈反曲趨勢。如按不同測速方法，分別居中定線可繪出三條曲線：從左到右分別為水面、半深、0.6相對水深的水位～流速關(guān)系。其中半深和0.6相對位置的水位～流速關(guān)系線基本重合，說明現(xiàn)采用的半深系數(shù)0.9合適，而水面流速系數(shù)明顯偏小。

從各個測次的計算結(jié)果可知，卡門系數(shù)為0.68和0.65時，水面流速系數(shù)均為0.87。

2.3 成果的合理性分析

以水面流速系數(shù)0.87重新計算各測次的實測垂線平均流速，點繪新的水位～流速關(guān)系線。關(guān)系線基本上是一條上凹型的曲線，已符合矩形河道的斷面平均流速分布線型。因此，初步認(rèn)為所確定的水面系數(shù)0.87是合理的。

3 結(jié)論

3.1 人工河道是指河底經(jīng)人工整治比較平整，河段順直的河道?！端臏y驗手冊》中天然河道的水面流速K1值表在水流條件良好的河床情況下的取值與本文的分析結(jié)果相符合，可作為類似站先用K1值時參考。以0.6相對水深測速代表垂線平均流速，作為計算斷面平均流速的標(biāo)準(zhǔn)值，以較為接近天然河流的垂線流速分布的對數(shù)型曲線公式作為分析的理論依據(jù)，與采用假定水面流速系數(shù)測速的斷面平均虛流速進行比較，尚能分析出符合本站實際的水面流速系數(shù)。

3.2 卡門公式中，水面流速與斷面平均流速的差值，可先將兩組水位～流速關(guān)系概化成直線或取其切線，再選取兩個水位的差值，分別計算出k值。本文分析的計算結(jié)果表明，卡門參數(shù)差別不大。

3.3 對河底經(jīng)人工整理比較平整順直的河段，沒有水面比降資料時，可以采用河底坡度代替。對沒有沖淤變化的站，套用實測大斷面面積比較好。