孔雀河上復(fù)雜河段的洪峰流量推求

謝 葆，郭 濤，陳 宇，孫繁亭

(新疆巴州水文水資源勘測局，新疆 庫爾勒 841000)

在水文分析計算中，要用到的一些河流或河段無水文資料，必須要調(diào)查和采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行水文測驗(yàn)工作:①選好測驗(yàn)斷面，這是測驗(yàn)結(jié)果的基本保證;②確定糙率值。計算糙率的方法很多，關(guān)鍵是確定一個最能反映河道真實(shí)情況的糙率;③運(yùn)用規(guī)范中的公式，推求洪峰流量;④驗(yàn)證洪峰流量的可靠性。以下介紹無糙率資料河段推求洪峰流量的一種實(shí)用方法。

1 選擇測驗(yàn)斷面

測驗(yàn)河段宜順直、穩(wěn)定、水流集中，無分流、岔流、斜流、回流、死水等現(xiàn)象。順直河段長度應(yīng)大于洪水時主河槽寬度的3倍。在平原區(qū)河流上，要求河段順直勻整，全河段應(yīng)有大體一致的河寬、水深、和比降，單式河槽河床上宜無水草叢生。

2 確定糙率值

無資料河段的糙率，可以選用上、下游河段的實(shí)測值或選用相似河段的實(shí)測值。糙率是反映河床、岸壁形狀的不規(guī)則性和表面粗糙程度的一個系數(shù)，它直接影響河流沿程能量損失的大小。天然河道不規(guī)則，斷面形狀不斷發(fā)生變化，只有在洪峰值出現(xiàn)時，短暫的時間里為恒定流。但只要選取較好的控制斷面，也可以把部分河段看做是恒定非均勻流。從能量的角度分析，不僅要考慮沿程能量的損失，還要考慮局部的能量損失。因此，可以實(shí)測資料，通過伯努里方程式，反推糙率值。具體公式如下:

式中:h1、h2為上、下斷面水位，m;V1、V2為上、下斷面平均流速(m/s);g為重力加速度(m/s2);hf為沿程水頭損失;hj為局部水頭損失;α1、α2為上、下斷面動能校正系數(shù)。

取 α1=α2=1．0，則式(1)移項得:

式中:h為沿程總損失。

對于因過水?dāng)嗝嫜爻套兓鸬木植繐p失，可由下式來計算:

式中:ξ為河段平均局部阻力系數(shù)。

沿程水頭損失，可用下式計算:

式中:Q為流量(m3/s);L為上、下斷面間距，m;n為河段平均糙率。

式中:A1、A2為上、下斷面過水面積，m2;R1、R2為上、下斷面水力半徑，m。

將h及hf、hj計算式代入式(2)整理得:

其中g(shù)取9.81(m/s2)，ξ在順直漸次擴(kuò)散段，其值介于0.3～0.5間，常取0.5;較順直的收縮段，局部損失可忽略，取ξ=0。

3 推求洪峰流量

調(diào)查河段順直，洪痕點(diǎn)較多，河床穩(wěn)定時，用比降面積法推流。洪峰流量用下式進(jìn)行計算:式中:QS為比降-面積法測算的流量(m3/s);Au、AL為比降上、下斷面過水面積(m2);g為重力加速度，取9.81(m/s2);L為比降上、下斷面間距，m;S為水面比降;ξ為局部阻力系數(shù)，當(dāng)河段收縮時宜取0，逐漸擴(kuò)散時宜取ξ=0.3～0.5;α為動能校正系數(shù)，取α=1.10為河段平均輸水率，其公式為:

當(dāng)具有比降上、中、下斷面，過水面積沿程收縮或擴(kuò)散變化不均勻值可用下式計算:

式中:Ru、Rm、RL為比降上、中、下斷面水力半徑，m;Am為中斷面面積(m2)。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 斷面情況簡介

孔雀河位于巴州庫爾勒市、尉犁縣、若羌縣境內(nèi)，發(fā)源于博斯騰湖，介于 E85°30'～ E87°00'，N41°15'～ N41°55'，位于塔里木盆地東北部，北至霍拉山，西界輪臺縣，東界庫魯克塔格中部和南部，流域內(nèi)地勢西北高東南低。

2002年8月30 日孔雀河發(fā)生有實(shí)測資料以來的第一位洪水，為城市建設(shè)、河道規(guī)劃等提供可靠的依據(jù)。根據(jù)有關(guān)規(guī)范采用比降-面積法決定對對孔雀河第二分水樞紐以下4.78 km處最大洪峰流量進(jìn)行推求。

2012年8月14 日，技術(shù)人員對孔雀河第二分水樞紐以下4.78 km處進(jìn)行了大斷面測量和流量測驗(yàn)。本次大斷面測量的河段均選取橫比降較小的較順直段，高程為假定高程(10.000 m)，采用水文四等水準(zhǔn)測量。測量河段內(nèi)設(shè)3個過水?dāng)嗝娣謩e為上、中、下斷面，3個過水?dāng)嗝娓飨嗑?00 m、100 m，同時在上斷面上游50 m處和下斷面下游50 m處又設(shè)立了兩個比降斷面，調(diào)查河段兩岸為黏土和粗砂組成，河床均由黏土、粗砂、卵礫石、水草組成，河岸生長著少量的植被。見圖1。

洪水調(diào)查河段，上、中、下3個斷面形狀相近，河床、岸壁質(zhì)地相同，斷面附近無支流匯入或分叉，河道較順直，，斷面洪痕由當(dāng)?shù)乩先酥缸C，可靠性較高。

4.2 洪峰流量計算

將本次洪水調(diào)查計算的數(shù)據(jù)，代入式(3)，得n=0.068。取洪水調(diào)查斷面的河段糙率0.068。再將各水力要素代入式(4)、式(5)，計算出洪峰流量為149 m3/s。

圖1 2012年8月14日調(diào)查洪水河段平面圖

孔雀河各斷面部分水力要素調(diào)查成果見表1。

表1 孔雀河洪水調(diào)查斷面部分水力要素成果

5 洪峰流量精度評定

以2002年8月30日，孔雀河第二分水樞紐的下泄流量150 m3/s，以及其下4.78 km處洪峰流量的衰減量為4.78 m3/s，得斷面處流量為146 m3/s為標(biāo)準(zhǔn)值，用上方法估算洪峰流量值與此相比，其相對誤差僅為-2.1%，遠(yuǎn)低于規(guī)范規(guī)定的比降-面積法推流的誤差(≤10%)，說明用此方法確定的糙率和流量合理。

綜上分析，筆者認(rèn)為本次洪水調(diào)查所得洪峰流量為149 m3/s，精度可靠。

6 結(jié)語

1)盡量按規(guī)范要求選擇測驗(yàn)斷面，進(jìn)行水文計算，更能反映河段的河床特性，因而也相對合理。

2)在實(shí)際工作中，利用實(shí)測資料，通過伯努里方程式，反推糙率，是一種較為準(zhǔn)確的計算糙率的方法。

3)本文中反推河段平均糙率，恒定流時，再用比降-面積法計算高洪流量，計算成果合理。

[1] GB 50179—93河流流量測驗(yàn)規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，1994.

[2] SL 196—97水文調(diào)查規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社，1997.

[3] 陳建江，耿峻嶺.多斷面曼寧糙率試錯法在洪峰流量推求中的應(yīng)用[J]. 東北水利水電，2009(03):37-38.