M9在河道糙率計(jì)算中的應(yīng)用研究

謝志鋒

(廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000)

0 前 言

目前河道的糙率得來常用的途徑有兩個(gè)，一是曼寧公式法，二是采用“查表法”。但以上兩種方法各有其缺點(diǎn)。糙率與河道水力因素之間關(guān)系目前難以定量研究，而受各種因素影響的糙率在河道中的最終反饋就是改變流速的大小。文章將注重著眼于糙率與流速的關(guān)系，利用流量測(cè)驗(yàn)的現(xiàn)代化設(shè)備M9實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)量大、實(shí)測(cè)流速垂線多的特點(diǎn)，在無水面比降資料的前提下，把流量測(cè)驗(yàn)與糙率計(jì)算結(jié)合，定量分析和計(jì)算河道的糙率。

1 糙率及計(jì)算公式

1.1 糙率

糙率n又稱粗糙系數(shù)，在水流運(yùn)動(dòng)過程中直接影響沿程能量損失的大小，是綜合反映管渠壁面粗糙情況對(duì)水流影響的一個(gè)系數(shù)。

從實(shí)測(cè)資料中來分析糙率，應(yīng)采用沿程損失反求的途徑。即在恒定非均勻流條件下，要扣除局部水頭損失；在非恒定流中，還應(yīng)考慮加速比降的影響。此外，對(duì)于河段為復(fù)式斷面，還應(yīng)劃分主槽、灘地分別分析糙率。

糙率分析計(jì)算方法原則上僅能用于較穩(wěn)定的河槽。對(duì)于河槽不穩(wěn)定的河流，河流阻力常受水流與河槽交互作用的影響，分析計(jì)算的糙率是近似成果，誤差較大，要慎重使用。目前河道的糙率的分析有兩種途徑：其一是根據(jù)實(shí)測(cè)的流量、比降資料分析。缺點(diǎn)是必須有比降資料，且計(jì)算中引入了比降觀測(cè)誤差等，使計(jì)算結(jié)果的合理性存在不確定性。其二在無流量觀測(cè)時(shí)，常采用“查表法”選用河道糙率。優(yōu)點(diǎn)是用“查表法“確定糙率方便快捷。缺點(diǎn)是各類各樣的表格繁多，難以取舍；這些表格均是定性描述、綜合歸納、分類取值，則會(huì)常因人而異，充斥著主觀任意性和經(jīng)驗(yàn)性，成果難以保障。

1.2 糙率分析要求

糙率分析應(yīng)滿足以下要求。

1)實(shí)測(cè)流量同時(shí)有同步觀測(cè)水面比降，需分析其成果的測(cè)驗(yàn)精度、可靠性和水面比降合理性。

2)有實(shí)測(cè)流量資料，并采用曼寧公式反算糙率時(shí)，應(yīng)對(duì)水面比降作流速水頭項(xiàng)的校正。對(duì)斷面沖淤嚴(yán)重或溢流、分洪、潰口的測(cè)流資料，應(yīng)予剔除。

3)當(dāng)灘地水面寬度占主槽水面寬度的1/2及以上的嚴(yán)重漫灘，灘地與主槽水深相差懸殊時(shí)，宜按主槽、灘地分別計(jì)算糙率。

4)分析不同水位下洪水特性的糙率，應(yīng)有30～50個(gè)測(cè)點(diǎn)。以峰、谷及水位平穩(wěn)期各測(cè)點(diǎn)的糙率與平均水力半徑或斷面平均水深或水位建立關(guān)系(建立的關(guān)系曲線稱糙率曲線)，并繪制非恒定流的測(cè)點(diǎn)，檢查其分布趨勢(shì)及合理性后，進(jìn)行綜合定線。當(dāng)滿足相關(guān)規(guī)范要求時(shí)可以定成單一線，并經(jīng)過與各種情況的實(shí)測(cè)資料校驗(yàn)后可正式應(yīng)用。

1.3 糙率計(jì)算一般規(guī)定

糙率計(jì)算所用公式，原則上只適用于水位流量關(guān)系為單一曲線，或只受漲落率影響的測(cè)站。水流平穩(wěn)期和峰頂，用恒定非均勻流公式；洪水的漲、落過程，用非恒定流公式。但在非恒定流中，如加速比降占水面比降的百分比值很小時(shí)，也可不計(jì)加速比降，如以下兩種情況。①如水位流量關(guān)系為單一線，不計(jì)加速比降。②如水位流量關(guān)系受漲落率影響為繩套線，其洪水過程中加速比降占相應(yīng)水面比降的百分比最大值≤5%時(shí)，加速比降可忽略不計(jì)。

1.4 流速比糙率公式

水流在天然河道中大多充分紊動(dòng)，河道邊界的粗糙程度普遍很大。紊流狀態(tài)的水流，引起脈動(dòng)現(xiàn)象的主要作用力是紊流附加切應(yīng)力。紊流附加切應(yīng)力與水流邊界的粗糙程度密切相關(guān)。邊界越粗糙，附加切應(yīng)力越大，脈動(dòng)越厲害。

在測(cè)流斷面基本上滿足穩(wěn)定均勻流的條件下，假定垂線流速呈對(duì)數(shù)分布，紊動(dòng)水流任意垂線上流速滿足一定的分布規(guī)律。利用相對(duì)水深0.2和0.8處的流速比來作為垂線的流速比系數(shù)，可推出河道的無比降系數(shù)的流速比糙率公式為：

(1)

(2)

采用上述公式計(jì)算河道糙率n，只需求得測(cè)深垂線上相對(duì)水深0.2和0.8處的測(cè)點(diǎn)流速即可，省略了比降的觀測(cè)，大大增加便利性[1]。

2 M9垂線流速的處理

M9流速篩選軟件最多可按五點(diǎn)法輸出相對(duì)水深0.0、0.2、0.6、0.8及1.0處的測(cè)點(diǎn)流速。公式(2)是采用測(cè)流垂線相對(duì)水深0.2和0.8處流速的比值作為垂線流速比而推導(dǎo)出的糙率計(jì)算公式。按照原理，可以用垂線上任意2點(diǎn)的流速比值作為垂線流速比系數(shù)，M9流速篩選軟件可勾選輸出五點(diǎn)法的任意2點(diǎn)的流速，極大拓展了流速比糙率公式的數(shù)據(jù)選用范圍。例如某個(gè)斷面的部分垂線相對(duì)水深0.8處的流速由于垂線水深較淺或其他問題無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)不理想，可以改為選用測(cè)流垂線相對(duì)水深0.2和0.6處流速的比值作為垂線流速比等。

下面以M9流速篩選垂線相對(duì)水深0.2和0.8處的流速為例，說明如何運(yùn)用M9實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)來計(jì)算斷面平均流速比。

步驟一：通過M9測(cè)流軟件“RiverSurveyor Live ”選擇后綴名為*.riv的某測(cè)次的流量數(shù)據(jù)文件(可有多個(gè)半測(cè)回)，設(shè)置航跡參考、水深參考及坐標(biāo)系統(tǒng)等相關(guān)參數(shù)，如航跡參考使用GGA或者VTG模式還應(yīng)設(shè)置艏向校正和GPS補(bǔ)償，使某測(cè)次數(shù)據(jù)的各半測(cè)回誤差等滿足規(guī)范要求。同步輸出所有半測(cè)回流量的ASCII格式文件，此文件格式可以查看各條垂線中的各個(gè)剖面流速流向。

步驟二：在軟件提供的測(cè)量成果匯總表中查得面積A和水面寬B，則平均水深為A/B。利用圖1的M9流速篩選軟件，逐次選取所有半測(cè)回流量的ASCII格式文件中后綴名為*.vel的數(shù)據(jù)文件，“輸出水深個(gè)數(shù)”選“2”即可輸出EXCEL數(shù)據(jù)格式的相對(duì)水深0.2和0.8處測(cè)點(diǎn)流速V0.2和V0.8值。

步驟三：每個(gè)半測(cè)回的某一垂線相對(duì)水深0.2和0.8處測(cè)點(diǎn)流速V0.2/V0.8即為某一垂線的流速比系數(shù)。所有的垂線流速比系數(shù)平均可得每個(gè)半測(cè)回的Kv。某測(cè)次所有半測(cè)回的Kv平均即得某流量測(cè)次的Kv值。

3 實(shí)測(cè)資料檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)公式(2)檢驗(yàn)其可用程度和實(shí)用價(jià)值。文章選擇了平原丘陵區(qū)較大流域和平原區(qū)灌溉干渠的部分M9流量實(shí)測(cè)資料來分析公式的合理性和適用性。

3.1 河流概況

1)鑒江發(fā)源于廣東省信宜市東鎮(zhèn)鎮(zhèn)莊垌村虎豹坑，由北向南流經(jīng)信宜市、高州市、化州市、吳川市四縣市至廣東省湛江市坡頭區(qū)乾塘鎮(zhèn)沙城村注入南海。鑒江流域總面積6914km2(扣除袂花江)，干流全長(zhǎng)231km，總落差406m，平均坡降0.398‰。多年平均年降水量1812mm，多年平均年徑流深975mm，在茂名市境內(nèi)的流域面積為5576km2，約占全流域的80.6%，上游廣西省境內(nèi)的集雨面積800km2，下游湛江市吳川市集雨面積538km2。

鑒江流域支流眾多，其中集雨面積>100km2的一級(jí)支流有：小水河、北界河、大井河、南塘河、曹江、沙田河、羅江、塘綴河等；二級(jí)支流主要有：黃塘水、云爐河、新垌河、排亭水、播揚(yáng)河、平定水、中垌水、官橋河、石灣河等。

2)南盛攔河壩是鑒江干流梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)攔河樞紐，是一宗通過壅高鑒江上游天然來水及高州水庫(kù)放水調(diào)節(jié)為主的大型水利工程，主要供茂名石化公司及茂名熱電廠工業(yè)用水、茂名市區(qū)其他工業(yè)及生活用水，并灌溉化州市、茂南區(qū)、吳川市等地的農(nóng)田。攔河壩上游數(shù)十米處的東堤岸開設(shè)有排水口，堤岸外面并排開辟有兩條河道。北河道為工業(yè)渠，水源主要供給茂名市區(qū)、郊區(qū)工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用，而南河道即為本次分析站點(diǎn)南盛(工業(yè)渠道)站所在的農(nóng)業(yè)渠，水源主要供給化州市、吳川市等地的農(nóng)業(yè)灌溉用。農(nóng)業(yè)渠水面比降為0.2‰。

3.2 測(cè)站情況

1)化州水文站地處廣東省茂名市化州市，在鑒江干流下游，測(cè)驗(yàn)河段位于丘陵地貌區(qū)。該站測(cè)驗(yàn)河段順直河段長(zhǎng)約為1.1km，屬于河槽控制。斷面下游60m和150m各有公路、鐵路橋梁一座，對(duì)水流有一定攔蓄作用。斷面上游約5km處有江邊村攔河壩，下游約8km處有高嶺攔河壩。上下兩壩節(jié)制閘的啟閉對(duì)本站的水位、流量變化有較大影響，特別是在低水時(shí)，影響尤為突出。

低水時(shí)右岸有漫灘現(xiàn)象，中弘偏右岸。河床為砂質(zhì)，河底平順性一般，水流較通暢，基本上無死水、斜流或回流。

2)南盛(工業(yè)渠道)站地處地處廣東省茂名市化州市南盛街道辦，在南盛攔河壩閘下600m，河段順直，水流通暢，兩側(cè)岸壁及渠道底坡均為混凝土，渠底平整，部分地方有少量淤積的細(xì)沙，斷面呈規(guī)整的梯形[2]。

3.3 檢驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

1)在計(jì)算斷面流速比系數(shù)時(shí)，傳統(tǒng)水文流量測(cè)驗(yàn)的流速儀法需尋找有代表性的垂線并實(shí)測(cè)每條垂線相對(duì)水深0.2及0.8處的流速，耗時(shí)費(fèi)力。文章利用現(xiàn)代化流量測(cè)驗(yàn)設(shè)備M9實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)量大、實(shí)測(cè)流速垂線多的特點(diǎn)，使得出斷面流速比系數(shù)更省時(shí)快捷精準(zhǔn)；2)按照流速比糙率公式原理，可以用垂線上任意2點(diǎn)的流速比值作為垂線流速比系數(shù)。M9實(shí)測(cè)流量的每條垂線包含了相對(duì)水深的很多測(cè)點(diǎn)，極大拓展了流速比糙率公式的數(shù)據(jù)選用范圍。為進(jìn)一步研究流速比糙率公式適用范圍提供了思路。

3)利用曼寧公式計(jì)算糙率須有比降資料，但在天然河道觀測(cè)比降困難較多，且比降觀測(cè)誤差較大，不甚便利。利用流速比公式計(jì)算糙率，無需比降資料，且M9適合野外流量測(cè)驗(yàn)，便利性大大提高；4)文章計(jì)算的兩站的水位-糙率關(guān)系良好，證明在無水面比降資料河道利用流速比公式計(jì)算糙率是一種切實(shí)可行的方法。