河道糙率的影響因素分析

趙慶奎

(山西省平陸縣水利局水資辦,山西 平陸 044300)

河道糙率的影響因素分析

趙慶奎

(山西省平陸縣水利局水資辦,山西 平陸 044300)

簡(jiǎn)略回顧了糙率研究的歷史狀況,收集山西 44個(gè)水文站的實(shí)測(cè)水文資料分析后,認(rèn)為影響河道糙率的主要因素是河床質(zhì)組成、岸壁特征、植被狀況和水流的平面形態(tài),寬深比對(duì)糙率有影響,而比降、含沙量、流域面積大小對(duì)糙率沒(méi)有影響。之外,斷面上下游河道的地形、地貌和障礙物決定糙率曲線(xiàn)線(xiàn)型的變化。

糙率;河床質(zhì);植被;比降;含沙量

1 簡(jiǎn)略的回顧

河道糙率是反映河床表面粗糙程度的重要水力參數(shù),在涉水工程中多有應(yīng)用,如交通建設(shè)中的橋涵建造、防汛搶險(xiǎn)中的洪水演算、水資源調(diào)配中的輸水損失計(jì)算等。1769年法國(guó)工程師 A.de謝才從河渠測(cè)量中求得計(jì)算明渠均勻流的流速公式:

式中:V代表斷面平均流速;I代表水面比降;R代表水力半徑,即過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(A)與過(guò)水?dāng)嗝鏉裰?χ)的比值;C即是謝才系數(shù)。

求算謝才系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式很多,其中最為典型的是 1889年由愛(ài)爾蘭工程師 R.滿(mǎn)寧提出的,其原式為:

式中的 n即是通常所說(shuō)的糙率。

后來(lái)人們常將(1)、(2)合并使用來(lái)求算流量,即

(3)是經(jīng)驗(yàn)公式,人們常稱(chēng)之為謝才 ～滿(mǎn)寧公式,或干脆稱(chēng)為滿(mǎn)寧公式。由于該公式形式簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,應(yīng)用方便,計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確,所以被視為經(jīng)典,至今仍廣泛應(yīng)用于明渠均勻流計(jì)算。按照《水文測(cè)驗(yàn)試行規(guī)范》(中華人民共和國(guó)水利電力部,水利電力出版社,1975年 4月)、《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》(水利電力部水利司,水利出版社,1980年 7月)的規(guī)定,《中華人民共和國(guó)水文年鑒》中所刊印的河道糙率值也都是用滿(mǎn)寧公式計(jì)算求得的。

蘇聯(lián)從 1890年到 1931年期間,曾建議將 0.85～1.30用作河槽的糙率,而將 1.75用作河灘的糙率,這便是天然河流糙率值估算最原始、最簡(jiǎn)單的胚胎。當(dāng)然,實(shí)踐證明這與實(shí)際數(shù)值完全不相符合。到 1932年,M..Φ.斯里希雷教授編制出了天然河流的河槽糙率系數(shù)表。該表根據(jù) 600多個(gè)測(cè)點(diǎn)的資料編制而成,限于條件和當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí)水平,該表分類(lèi)過(guò)于簡(jiǎn)單,河段特征也不夠明顯,而且將糙率當(dāng)作與水深無(wú)關(guān)的定值來(lái)處理,也與實(shí)際情況不符。

1937年,E..B.包爾達(dá)柯夫?qū)Σ诼氏禂?shù)表進(jìn)行了改進(jìn),即糙率數(shù)值隨平均水深而變化,但在分類(lèi)過(guò)簡(jiǎn)和河段特征描述方面仍無(wú)進(jìn)步。1957年,蘇聯(lián)頒布的《鐵路橋渡勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)程》中附有天然河流糙率系數(shù)表,此表根據(jù)上述兩表所編制,在水流特征方面增列了流域面積大小。

1960年時(shí) M..Φ.斯里希雷新表公布,新表的依據(jù)資料大為增加,而且按山區(qū)與平原區(qū)河流編制河流糙率系數(shù)表,山區(qū)河流將比降作為單獨(dú)因素考慮,并且增加了糙率隨水位上升而變化的內(nèi)容。

我國(guó)在 20世紀(jì) 50年代至 60年代初期,即是使用上述的蘇聯(lián)糙率表。但在使用中發(fā)現(xiàn)與我國(guó)情況差異頗大,因此于1960年 ～1961年,由交通與鐵道兩個(gè)部門(mén)聯(lián)合進(jìn)行了河流洪水糙率研究,從 1961年至 1964年陸續(xù)制定出西北地區(qū),西南地區(qū),華北、東北地區(qū),中南、華東地區(qū) 4個(gè)河流洪水糙率系數(shù)表并頒布使用。在編制此表時(shí),使用了全國(guó) 353處水文站 1956～1960年的 15 946個(gè)測(cè)點(diǎn)資料,客觀上存在著測(cè)站少、代表性差的問(wèn)題。之外,在以后的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中,許多河流被治理,人類(lèi)活動(dòng)影響較大,還有一些是屬于認(rèn)識(shí)上的問(wèn)題,也需要修正。

2 影響河道糙率的因素分析

2.1 影響河道糙率的主要因素

河道糙率是河床表面粗糙程度的物理性指標(biāo),其構(gòu)成因素有河床質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)、河道斷面的形態(tài)和變化、岸坡特征和植被以及水流的平面變化情況等,限于經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平和條件,目前還無(wú)法對(duì)這些構(gòu)成因素進(jìn)行定量分析。在系統(tǒng)地進(jìn)行糙率研究時(shí),只能是根據(jù)調(diào)查和實(shí)測(cè)到的水文資料進(jìn)行定性描述,比如對(duì)河床質(zhì)的大小和多少、河道斷面的形態(tài)(窄深或?qū)挏\型)和變化(順直或上寬下窄、上窄下寬喇叭口型)、岸坡特征和植被(低灌、高桿農(nóng)作物或樹(shù)木)等盡量地使用數(shù)字進(jìn)行文字性描述。當(dāng)然,也可以拍攝一些照片供分析和使用者參考。之外,一般情況下,山區(qū)、山前區(qū)、平原區(qū)的河流各具特點(diǎn),這也是分析和使用者所一致公認(rèn)的,所以應(yīng)予分別對(duì)待。

2.1.1 河床組成、岸壁特征

河床中的泥沙、卵石、原生巖石等組成物的構(gòu)成及粒徑,河床岸壁的表面平整或凹凸情況,構(gòu)成河床和岸壁的表面粗糙度。此外,岸坡的陡峻、傾斜程度,中、低水深時(shí)有無(wú)邊灘,都會(huì)引起濕周的變化,從而產(chǎn)生各種組合情況下對(duì)水流不同程度的阻力影響因素。

2.1.2 植被狀況

主要指河床岸壁及岸灘植被的有無(wú)以及種類(lèi)、密度、高度、季節(jié)或年際變化等。

2.1.3 河段平面特征及水流情況

如河段順直或彎曲程度,平面擴(kuò)散、收縮形態(tài),上下游有無(wú)卡口、急灘、閘壩、橋梁、支流匯入,岸邊水流是否暢通或有無(wú)漩渦、死水等。

由于天然河流的復(fù)雜性,無(wú)法通過(guò)影響因素對(duì)糙率進(jìn)行定量分析。因此通用的方法是根據(jù)實(shí)測(cè)水文資料綜合分析糙率取值及其變化情況。

糙率 n值的變化受到上述諸多因素影響,而這些因素的變化情況,不但不同特性的河流不同,即使是同一條河流的上、下游各處,乃至同一河段的各級(jí)水深時(shí)也是不一樣的。因此,各個(gè)具體河段糙率的大小及其變化,決定于上述諸因素綜合作用的結(jié)果。也即是說(shuō),在影響河道糙率的河床質(zhì)組成、岸壁特征、植被狀況、平面形態(tài)這些因素中,只要其中任何一項(xiàng)發(fā)生變化,就可能會(huì)引起糙率 n值的不同程度變化。如果其中多項(xiàng)因素均發(fā)生變化,通過(guò)綜合作用的結(jié)果,可能會(huì)出現(xiàn)糙率 n值的巨變、微變、不變多種情況。因此,糙率隨水深變化的 h～n關(guān)系曲線(xiàn),實(shí)際反映了某一河段各級(jí)水深時(shí)上述 4項(xiàng)因素綜合影響的結(jié)果。在某一級(jí)水深變幅,如果這種綜合作用的影響逐漸地增大了對(duì)水流的阻力,則糙率n值也增大,反之則減小,如果維持不變,則 n值也不變。

從實(shí)地勘查和阻力分析中認(rèn)識(shí)到的一般情況是,低水深時(shí)隨著水深的減小,河床底部相對(duì)糙度和濕周的影響越來(lái)越大,所以糙率增大;隨著水深的增加,床面影響逐漸減小,岸壁影響增大。如果岸壁是天然巖石或人工漿砌的,或雖然是土質(zhì)但相對(duì)平整、規(guī)則,且植被稀疏,河岸線(xiàn)順直,河床和岸壁的綜合影響對(duì)整個(gè)水流的阻力相對(duì)減小,則糙率隨水深的增大而減小;如果岸坡凹凸度大,坎坷不平,岸邊線(xiàn)不順直,而且隨水深的增加越加顯著,或是隨著水深的增加有了植被影響,如樹(shù)林、高桿農(nóng)作物,而且密度漸增等等,則低水深以上可能出現(xiàn)糙率增大的情況;如前所述,倘低水深或中等水深以上,河段平面特征、河床、岸壁、植被等情況下的阻水作用互相抵消了,則可能糙率值不變。

2.2 其它影響因素

2.2.1 河道比降對(duì)糙率的影響

從理論上來(lái)講,河道比降與糙率取值是沒(méi)有直接關(guān)系的。對(duì)于某一具體河段來(lái)說(shuō),由于河道地形地貌和河床質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)是既定的,所以,它的糙率也是一個(gè)定值。即在人們認(rèn)識(shí)它以前或以后,它是一個(gè)確定的值,僅僅在水深發(fā)生變化時(shí),由于水流與河床的接觸面發(fā)生了變化,糙率值才發(fā)生變化。倘若人工砌筑兩個(gè)相同的過(guò)水?dāng)嗝?即床面組成結(jié)構(gòu)和斷面形態(tài)均相同,則糙率值是一致的。在其底坡有所差異時(shí),根據(jù)滿(mǎn)寧公式,比降大時(shí)因其流速大而過(guò)水能力強(qiáng),流量大;底坡小的因其流速小而過(guò)水能力弱,流量小。實(shí)踐中,有一個(gè)普遍的現(xiàn)象需要注意,即比降大的河流均在山區(qū)、山前區(qū),而平原區(qū)河流的比降一般都比較小。比降大的河道,其河床質(zhì)都較為粗碩,粒徑大,對(duì)水流的阻力也大,糙率值也大。從某種意義上來(lái)講,無(wú)論是滿(mǎn)寧公式,還是河道實(shí)際,其實(shí)質(zhì)都暗涵了比降的因素,但在實(shí)踐工作時(shí),筆者認(rèn)為,不必將比降單獨(dú)列為影響因子。

2.2.2 河道寬深比對(duì)糙率值的影響

河道寬深比實(shí)際上是河道斷面的一個(gè)形態(tài)系數(shù)。寬深比大,則說(shuō)明河道呈現(xiàn)為寬淺型;寬深比小,則說(shuō)明河道呈現(xiàn)為窄深型。一般意義上講,寬淺型河道因河床底部河床質(zhì)對(duì)水流的阻力作用相對(duì)較大,而糙率值也大;窄深型河道因水流所遇阻力小而糙率值也小。

2.2.3 水流含沙量與糙率的關(guān)系

關(guān)于水流含沙量的多少對(duì)糙率的大小是否具有影響,筆者使用山西汾河柴莊水文站的資料進(jìn)行了分析,即使用在洪水時(shí)期測(cè)取到的平均水深近似相同時(shí)的含沙量與糙率資料進(jìn)行相關(guān)分析,如附圖 1、2、3給出了柴莊水文站平均水深分別在 1m、2m、3 m時(shí)的糙率與含沙量相關(guān)圖,由圖可見(jiàn),含沙量的多少與糙率基本沒(méi)關(guān)系。所以認(rèn)為,影響糙率的主要是河床水力條件,而洪水含沙量主要消耗水流的內(nèi)能,它并不影響水流與河床的接觸條件,故而含沙量與糙率是沒(méi)有關(guān)系的。這一點(diǎn)前人也已經(jīng)有過(guò)結(jié)論。

2.2.4 流域面積與糙率沒(méi)有關(guān)系

由上述討論可知,影響糙率的主要是河床的水力條件,而流域面積的大小和形狀與河床的水力條件是沒(méi)有關(guān)系的。故此在分析河道糙率時(shí),考慮流域面積的大小和形狀是沒(méi)有必要的。有人在分析使用糙率時(shí)要考慮該站是大河站還是小河站,實(shí)際上,這些因素與河床的水力條件,即糙率基本沒(méi)有直接的聯(lián)系。

3 糙率曲線(xiàn)的線(xiàn)型和影響因素分析

使用糙率在各級(jí)水深時(shí)的測(cè)定值,建立其關(guān)系曲線(xiàn),因各個(gè)河段的糙率影響因素不盡相同,所以其關(guān)系曲線(xiàn)表現(xiàn)各異,而且有的差異頗大。筆者收集山西 44個(gè)水文站的糙率實(shí)測(cè)資料(計(jì)有山區(qū)水文站 33處,山前區(qū)水文站 6處,平原區(qū)水文站 5處),建立了各自的關(guān)系曲線(xiàn),按照山區(qū)、山前區(qū)、平原區(qū)分類(lèi)時(shí),即使在相同的地類(lèi)區(qū),糙率曲線(xiàn)的線(xiàn)型也有很大差異。如山區(qū)站共有 33個(gè),在綜合其類(lèi)型時(shí),僅有 18個(gè)站能夠綜合成為 7種線(xiàn)型(占山區(qū)站總數(shù)的 54.5%),其余的只能以單站形式列出。

糙率曲線(xiàn)的表現(xiàn)形式有正向、反向、常數(shù)型、左開(kāi)口弓型、右開(kāi)口弓型、彎曲型 6種(參見(jiàn)文后附圖),其表現(xiàn)形式和影響因素分析如下。

3.1 左開(kāi)口弓形線(xiàn)型

隨著水深的增加,糙率值先增大而后又漸次減小。其原因是中、低水深時(shí)河槽對(duì)水流的阻力較大,到某一水深時(shí),水流突然暢通,阻力漸小。

3.2 右開(kāi)口弓形線(xiàn)型

造成這種線(xiàn)型的河道情況大體上是因?yàn)闇y(cè)驗(yàn)河段上、下游均有橋梁、低壩或是河道中有天然生成的石質(zhì)卡口、急灘、彎道等,中、低水深時(shí)上游河道狀態(tài)對(duì)水流起主要影響作用,水流通暢,糙率漸小;高、中水深時(shí)下游河道狀態(tài)對(duì)水流發(fā)生了更大影響,對(duì)水流形成阻滯,而且呈現(xiàn)為越來(lái)越大的趨勢(shì)。

3.3 彎曲線(xiàn)型

彎曲線(xiàn)型糙率隨水深的增大呈復(fù)雜變化。其形成原因比較復(fù)雜,低水時(shí)由于河槽床面對(duì)水流的阻力而使糙率值比較大,隨著水深的增加,糙率值相應(yīng)趨小。當(dāng)水深再度增加時(shí),由于岸壁或下游阻力影響,糙率值再度增大,而當(dāng)水深增加至擴(kuò)散或開(kāi)闊位置時(shí),水流通暢,糙率值再度發(fā)生降小趨勢(shì)。

3.4 常數(shù)型

糙率值不隨水深的增減而變化。其原因較為復(fù)雜,實(shí)質(zhì)上是影響河道對(duì)水流阻力的因素在各級(jí)水深時(shí)的消長(zhǎng)互相平衡,致使糙率在各級(jí)水深時(shí)始終沒(méi)有太大的變化。

3.5 正向線(xiàn)型

糙率值隨水深的增加而增大。這種線(xiàn)型的水文站測(cè)驗(yàn)河段一般較為順直,但下游有急灘、卡口、彎道、橋梁或支流匯入等情況,使得高、中水深時(shí)水流不夠順暢,甚至有回流、頂托等現(xiàn)象。也有的是在高、中水深時(shí)有樹(shù)木或高桿農(nóng)作物起阻水作用,因而使糙率值趨大。

3.6 反向線(xiàn)型

糙率值隨水深的增加而減小。一般情況下,在測(cè)驗(yàn)河段的下游有河道擴(kuò)散呈喇叭口狀,或上游河道有卡口、石梁、急灘等以致水流特別暢通,兩岸邊坡植被稀少,甚至是規(guī)整的石質(zhì)岸坡等,對(duì)水流的阻力很小,所以隨著水深的增加,糙率值不增反降。

總之,某一水深時(shí)的糙率大小取決于河床質(zhì)組成、岸壁特征、植被狀況以及河段的平面形態(tài),而造成糙率曲線(xiàn)形態(tài)變化的原因是分析河段上、下游地形、地貌的影響(當(dāng)然,這些影響還與其距離有關(guān))。河道縱、橫兩方面對(duì)水流阻力條件的差異和變化,綜合決定了的糙率關(guān)系曲線(xiàn)的取值和走向。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)上述討論,可以得出這樣一些結(jié)論:

(1)影響河道糙率的主要因素是河床質(zhì)組成、岸壁特征、植被狀況、水流的平面形態(tài);

(2)河道的寬深比對(duì)糙率有影響,而比降、含沙量、流域面積大小對(duì)糙率沒(méi)有影響;

(3)河道糙率曲線(xiàn)的變化受到斷面上下游地形、地貌和障礙物的影響。

(4)工程實(shí)踐中經(jīng)常有盲目套用糙率值的情況,甚至在技術(shù)文件中有某條河糙率為多少的提法,這都是不對(duì)的,應(yīng)該根據(jù)具體河段的具體情況選用糙率值,以免造成工程建設(shè)的不合理情況發(fā)生。

(5)建議根據(jù)我國(guó)各地的水文實(shí)測(cè)資料進(jìn)行河道糙率的研,以探索糙率變化原理并修正不正確看法,更好服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

[1]錢(qián)寧,黃河下游的糙率問(wèn)題,《錢(qián)寧論文集》,清華大學(xué)出版社,1990年 4月。

[2]程進(jìn)豪等,黃河山東段河床糙率分析,《水利學(xué)報(bào)》,1997.1.

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1004-1184(2011)01-0176-02

2010-09-19

趙慶奎﹙ 1967-﹚,男,山西平陸人,工程師,主要從事地下水資源監(jiān)測(cè)、管理及研究工作。