南運(yùn)河暢流期與冰期河道糙率計(jì)算及變化規(guī)律分析

雷 蕾

(河北省保定水文水資源勘測(cè)局，河北 保定 071000)

南運(yùn)河暢流期與冰期河道糙率計(jì)算及變化規(guī)律分析

雷 蕾

(河北省保定水文水資源勘測(cè)局，河北 保定 071000)

河道糙率是反映河流阻力的綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的特征值。天然河道糙率一般由河道各種糙率單元綜合組成。河道糙率是河道工程水力計(jì)算中的重要因素，關(guān)系到天然河道輸水能力和行洪標(biāo)準(zhǔn)的確切評(píng)價(jià)。南運(yùn)河處于漳衛(wèi)南運(yùn)河水系的最下游，河道全長(zhǎng)309 km，是歷史上京杭大運(yùn)河的下段，也是引黃、引江南水北調(diào)東線(xiàn)方案的輸水干線(xiàn)。通過(guò)對(duì)南運(yùn)河暢流期及冰期糙率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)暢流期與冰期糙率變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在暢流期，流量不同時(shí)，隨著流量的增大，河道糙率逐漸變小。當(dāng)增大至灘地過(guò)水(120 m3/以上)的情況下，河道糙率又有所增大。冰期河道糙率與期暢流期相比，冰蓋下輸水糙率值明顯增大。研究河道暢流期與冰期糙率的變化規(guī)律，對(duì)南運(yùn)河冰期輸水監(jiān)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

南運(yùn)河；糙率；冰期糙率；水流變化

1 南運(yùn)河概況

1.1 河道基本情況

南運(yùn)河屬于蜿蜒型道，處于漳衛(wèi)南運(yùn)河水系的最下游，自四女寺樞紐至十一堡節(jié)制閘，河道全長(zhǎng)309 km，是歷史上

京杭大運(yùn)河的下段，也是引黃、引江南水北調(diào)東線(xiàn)方案的輸水干線(xiàn)。自上至下分成三段，上段是四女寺節(jié)制閘至捷地分洪閘，中段是捷地分洪閘至九宣閘，下段自九宣閘至十一堡。在上段和中段的末尾有捷地減河和馬廠(chǎng)減河可以分洪入海。各段河道技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 南運(yùn)河各段技術(shù)指標(biāo)表

河槽為砂土質(zhì)組成，單式U型斷面，河床多屬粉質(zhì)壤土和砂質(zhì)壤土，河底縱斷起伏不平。岸壁除險(xiǎn)工段有砌石或拋石護(hù)坡外，亦均屬砂土質(zhì)，左右堤之間多有灘地，有的并有小埝保護(hù)，灘地土質(zhì)肥沃，用于種植各種糧食作物和蔬菜。

1.2 資料觀(guān)測(cè)

南運(yùn)河先后設(shè)置有四女寺、德縣、李門(mén)樓、安陵、桑園、東光、泊鎮(zhèn)、捷地、滄縣、北陳屯、九宣閘等水文站或者水位站，以觀(guān)測(cè)水位、流量、含沙量等。1958年以前水文年鑒還刊印了德縣、東光、捷地的水面比降和糙率資料，以德縣站計(jì)算南運(yùn)河的輸水量。1958年修建四女寺樞紐，改為以四女寺閘下水文站計(jì)算南運(yùn)河輸水量。1967年開(kāi)挖子牙新河，在滄縣周官屯建子牙新河穿運(yùn)樞紐工程，建南運(yùn)河周官屯節(jié)制閘。除引黃濟(jì)津輸水期間設(shè)臨時(shí)站觀(guān)測(cè)水位流量外，未正式設(shè)南運(yùn)河觀(guān)測(cè)站。1973年修建安陵和北陳屯樞紐，1975年增設(shè)北陳屯水文站，同時(shí)撤銷(xiāo)南運(yùn)河捷地站水文觀(guān)測(cè)，1976年增設(shè)安陵水文站。引黃輸水期間，臨時(shí)設(shè)立南運(yùn)河代莊水文站。

1.3 資料來(lái)源

1965年南運(yùn)河河務(wù)管理局實(shí)測(cè)南運(yùn)河鐵路橋至九宣閘縱橫斷面圖，1976年南運(yùn)河管理處實(shí)測(cè)四女寺至九宣閘縱橫斷面圖，1983年河北水利廳勘測(cè)設(shè)計(jì)院實(shí)測(cè)南運(yùn)河四女寺至九宣閘縱橫斷面圖。水文資料以南運(yùn)河上四女寺、安陵、代莊、捷地，北陳屯、周官屯、九宣閘實(shí)測(cè)水位、流量、冰清、含沙量，包括冬季引黃輸水期間的水文資料。

2 暢流期糙率計(jì)算

2.1 推算糙率的方法

糙率是反映沿程損失的一個(gè)系數(shù)，那么從實(shí)測(cè)資料中反求，也只能采用沿程損失。當(dāng)水流成恒定均勻流時(shí)，水深、流速沿程不變，水面比降等于能面坡降，能量全系沿程損失，此時(shí)可以直接用水面比降代入曼寧公式中，從實(shí)測(cè)資料中反求糙率。

具體計(jì)算是首先根據(jù)1965、1976、1983年南運(yùn)河實(shí)測(cè)縱橫斷面資料，按當(dāng)時(shí)具有的水文資料，將南運(yùn)河分成幾個(gè)計(jì)算段，選擇與縱橫斷面測(cè)量時(shí)間相近的水文資料，繪制各站的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，據(jù)此確定各站不同流量的相應(yīng)水位，然后采取試算法，先假定一個(gè)糙率值，根據(jù)河道末端不同流量的實(shí)測(cè)水位，沿著選定的斷面逐一向上推算，直到上一個(gè)有實(shí)測(cè)水位流量資料的水文站止。如果計(jì)算所得水位與實(shí)測(cè)水位不同，則另行假設(shè)糙率，重復(fù)計(jì)算，直到推算水位與實(shí)測(cè)水位基本相等為止，此相符的糙率就是該河段的實(shí)際糙率，其他河段依次類(lèi)推。遇大流量上灘地則按左右灘地和主槽分別計(jì)算，灘地糙率按子牙新河設(shè)計(jì)和水電部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院提供的“灘地糙率表”取0.030。

2.2 計(jì)算公式

實(shí)際計(jì)算中用天然河道穩(wěn)定漸變流的基本公式計(jì)算，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中1、2為逆水流方向斷面編號(hào)；

Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；L為斷面間距，m；ΔH=H2-H1為斷面1、2的水位差，m；V是斷面流速，m/s；

(4)

(5)

A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；X為濕周，m；ε為局部阻力系數(shù)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)1983年實(shí)測(cè)縱橫斷面，主槽糙率選取0.025，灘地糙率選取0.030。計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 南運(yùn)河各段不同流量糙率值表

3 冰期綜合糙率計(jì)算

3.1 冰期河道阻力的組成

冬季因?yàn)闅鉁叵陆担霈F(xiàn)冰花，使水流粘聚力增大，同時(shí)隨著暗冰的形成，岸壁的摩阻力增大，又占據(jù)部分過(guò)水面積，另外流冰和冰花隨水浮動(dòng)，加強(qiáng)了水流的紊流作用，使水流動(dòng)能作用有所消減。

河流動(dòng)力學(xué)中關(guān)于河道阻力的劃分，可以分為床面阻力岸壁阻力和河床形態(tài)阻力(如彎道、斷面縮小與擴(kuò)大等)，對(duì)于多沙河流床面阻力又可分為沙粒阻力和沙波阻力等．現(xiàn)一般計(jì)算冰期河道阻力時(shí)多簡(jiǎn)化為只考慮河床阻力和冰蓋阻力，不劃分沙粒阻力與沙波阻力。阻力計(jì)算公式多采用曼寧公式計(jì)算：

(6)

式中：n為河道綜合糙率系數(shù)(也稱(chēng)河道綜合糙率)；R為水力半徑，寬淺河道時(shí)就是水深h；v為平均流速；J為能坡。

3.2 河道綜合糙率計(jì)算

冰蓋的存在使過(guò)流斷面的濕周增加，水力半徑減小。冰蓋和床面的糙率共同決定過(guò)流的綜合糙率。理論和應(yīng)用上需要研究綜合糙率、冰蓋糙率、床面糙率和相關(guān)的水力因素之間的定量關(guān)系。一般有兩個(gè)主要問(wèn)題需要解決：(1)冰蓋糙率的確定；(2)已知河床及冰蓋糙率的情況下，計(jì)算渠道的綜合糙率。

冰期過(guò)流的河道綜臺(tái)糙率n可由床面糙率nb和冰蓋糙率ni組成，在封凍河道中假定冰蓋和河床不同周界內(nèi)取其流速等于斷面平均流速，取冰蓋和床面濕周各為總濕周之半，的關(guān)系通常多采用下述表達(dá)方式。

(7)

3.3 冰蓋和河床糙率的計(jì)算

分析南運(yùn)河各段實(shí)測(cè)資料，河床糙率采用暢流斷面河床平均糙率nb,河床平均糙率用下列公式表示：

(8)

在南運(yùn)河各段河床糙率nb已知的情況下，利用曼寧公式、謝才公式及綜合糙率公式，我們就可以計(jì)算某個(gè)流量下的具有冰塞和及冰蓋下的糙率ni的計(jì)算公式：

(9)

計(jì)算結(jié)果表明，在封凍期具有冰塞的冰蓋糙率有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，這可能是河段封凍后上游繼續(xù)有冰花向下游冰下輸移的結(jié)果。計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 南運(yùn)河冰期各段不同流量糙率值表

4 不同時(shí)期糙率變化規(guī)律分析

4.1 暢流期糙率變化規(guī)律

分析各河段糙率可以看出，各河段河道糙率不同，有一定的差別，只要是由于各河段的比降和河床構(gòu)成有關(guān)，四女寺-捷地比降1/18 536，捷地-九宣閘比降1/26 517四女寺-捷地河道糙率0.022 5，捷地-九宣閘河道糙率0.022 9(50 m3/s)；不同流量情況下，隨著流量的增大，河道糙率逐漸變小。當(dāng)增大至灘地過(guò)水(120 m3/以上)的情況下，河道糙率又有所增大。

4.2 冰期糙率變化規(guī)律

在歷次引黃濟(jì)津工程中，南運(yùn)河始終作為輸水的主干河道，針對(duì)南運(yùn)河進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的冰期測(cè)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，選用南運(yùn)河捷地-周官屯河段封凍期的綜合糙率進(jìn)行分析比較。

冬季輸水期相同流量維持時(shí)間較短，因此，經(jīng)比較選取南運(yùn)河捷地-周官屯河段輸水流量50 m3/s時(shí)，根據(jù)上下游斷面參數(shù)值反推糙率。經(jīng)計(jì)算，綜合糙率平均值為0.037 0。與以上計(jì)算安陵到九宣閘平均值0.037 25相吻合，與暢流期河道糙率0.025 0相比，冰蓋下輸水糙率值明顯增大。

冬季輸水過(guò)程中，河道糙率隨著流量的增大，冰蓋所占比例減小(南運(yùn)河非寬淺型河道)，冰期河道綜合糙率逐漸變小，流量從50 m3/s增大到80 m3/s，全段河道糙率則從0.036 2減小到0.033 2，大流量輸水可以減少冰蓋對(duì)輸水的影響。說(shuō)明過(guò)流斷面不同水位、流量下的綜合糙率也是一個(gè)變值。

4.3 冰蓋對(duì)河道糙率的影響

由于冰蓋的存在加大了過(guò)水?dāng)嗝娴牟诼剩瑢?duì)比無(wú)冰蓋時(shí)的水位、流量，可進(jìn)一步分析冰蓋對(duì)河道過(guò)水能力的影響。統(tǒng)計(jì)連村、代莊、周官屯站相同流量條件下及相同水位條件下有無(wú)冰蓋期水位、流量對(duì)比見(jiàn)表4、表5。由表4可知，在過(guò)水流量相同條件下連村、代莊站冰蓋下輸水比無(wú)冰時(shí)水位分別抬升了0.34 m(水深3.41 m)、0.24 m(水深2.20 m)，抬升率分別為11.1%、12.2%。說(shuō)明封凍期輸水由于冰蓋的存在造成水工建筑物上游河道的水位上漲，影響提防安全。由表5可知，在相同水位條件下連村、代莊、周官屯各站冰蓋下輸水比無(wú)冰時(shí)流量分別減少11.7、13.8、17.1 m3/s，減少率分別為27%、26%、34%。表4和表5結(jié)果顯示，由于冰蓋的存在，過(guò)水?dāng)嗝娌诼始哟螅鄳?yīng)減少過(guò)水面積。與河道暢流期相比流速減小，相同水位下過(guò)水流量減小或相同流量下水位升高。對(duì)河道的冬季輸水將產(chǎn)生不小的影響。

表4 相同流量條件下輸水水位對(duì)比表

表5 相同水位條件下輸水流量對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

河道糙率是反映河流阻力的一個(gè)綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征值。糙率增大，水流的能量損失大，輸水效率降低。通過(guò)對(duì)南運(yùn)河暢流期及冰期糙率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)暢流期與冰期糙率變化規(guī)律進(jìn)行研究，可基本明確，在暢流期流量不同時(shí)，隨著流量的增大，河道糙率逐漸變小。當(dāng)增大至灘地過(guò)水(120 m3/以上)的情況下，河道糙率又有所增大。冰期河道糙率與期暢流期相比，冰蓋下輸水糙率值明顯增大。特別是在封凍期由于水流受冰蓋的束縛，糙率突然加大，在河床和冰蓋綜合糙率的影響下，水流的流速、水位、流量與河道暢流期相比將發(fā)生很大的變化。輸水河流形成冰蓋后,由于冰蓋底面阻水作用,使流速沿水深分布規(guī)律發(fā)生變化,斷面平均流速減少,根據(jù)各監(jiān)測(cè)斷面實(shí)測(cè)結(jié)果，形成冰蓋前,河流水面位置流速最大, 形成冰蓋后,一般為0.5倍水深位置流速最大。研究河道暢流期與冰期糙率的變化規(guī)律，對(duì)南運(yùn)河冰期輸水監(jiān)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

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2017-04-06

雷蕾(1990-)，男，河北滄州人，助理工程師，主要從事水利水電工程方面的工作。

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