人工河道断面水面流速系数的探讨

戴菊真



人工河道断面水面流速系数的探讨

戴菊真

泉州市山美水库管理处

人工河道断面水面流速系数在无精测法资料可供对比分析的情况下，采用比照同类站直接选用具有一定的盲目性。以0.6相对水深测速代表平均流速，作为计算断面平均流速的标准值，以较为接近天然河流的对数型垂线流速分布公式为理论依据，与采用假定水面流速系数测速的断面平均虚流速进行比较，分析水面流速系数。并用数理统计的量化标准反证所求水面流速系数是比较简便易行的。

人工河道断面 水面流速系数 流量测验

水面流速系数是断面实测流量与同时施测水面流速计算出的虚流量之比值。《河流流量测验规范》GB50179－93中规定：畅流期水面流速系数应由多点法测速资料或其他加测水面流速的资料分析确定，或根据实测的水面比降、河床糙率等资料分析计算。《水文测验手册》中，给出了天然河道在没有资料时，可参照选用的水面流速系数K1值表，还给出了有实测河床糙率资料及与弗汝德数Fr1、水面比降有关的水面流速系数计算式。

本文探讨无多点法测速资料或其他加测水面流速的资料情况下，河道流量测验中如何合理地确定水面流速系数。解决以下两个问题：①《水文测验手册》给出了天然河道的水面流速系数参照表能否直接用于人工河道断面上？如果比照同类站直接选用系数，选用值的衡量标准是什么？②计算水面流速系数的卡门参数同水面虚流速和垂线平均流速及水面比降有关，在没有精测资料的情况下，卡门参数如何推求？水面比降怎样确定？现以永春（三）站1999年～2002年实测资料分析为例，对上述问题做初步探讨。

1 基本情况及发现的问题

1.1 永春（三）站测验河段基本情况

永春（三）站于1994年迁移到现断面。1998年建防洪堤，河段顺直，河底经人工整理比较平整。两岸为浆砌块石，断面呈矩形，河底为河卵石，受冲淤变化小。

1.2 永春（三）站流量测验情况

本站流速仪测流断面宽92.5m，布设测速垂线数10条，每条垂线用一点法测速，水深测量采用缆道测深或套用实测大断面。

1999年～2002年4年施测的全部流量资料中，有采用水面一点法流量30份，相对水深0.6的50份，其他为半深及混合法测速。该站水面流速系数、半深流速系数比照参考其他站的情况和《水文测验手册》给出的参照表，用0.80和0.90，系数未经试验分析。

1.3 流量资料整编中发现的问题

水位流量关系反曲。以现采用的水面流速系数计算出的断面平均流速关系绘出的水位～流量关系曲线呈反曲趋势，与矩形河道断面水位流量关系的实际情况不符。

水面一点法测速系数系统偏小。点绘不同施测方法的水位～流速关系，可以看出在中水部分，由于采用水面一点法测速，使流速明显偏小，初步分析是水面流速系数取值不当造成的。

2 水面流速系数的确定

2.1 方法及理论依据

影响水面流速系数的因素主要有断面形状、河床糙率、水面比降等。《水文测验手册》给出如下水面流速系数K1计算式：

卡门参数k可通过实测资料按下式计算：

V0为水面流速，Vm为垂线平均流速。

在水文测验中，对于宽浅的河道水流，通常采用的流速分布公式为对数曲线型公式。因此，垂线上任意点流速V与垂线平均流速Vm的关系为：

V=Vm+(V*/k)(1+lnη)

当V=Vm时，(V*/k)(1+lnη)=0。因V*/k不等于零，故（1+lnη）必等于零，此时η=0.37。水文测验常采用相对水深0.6处的流速作为垂线平均流速，其理论根据就在于此。为此，以相对水深0.6的水位～流速关系为标准，进行卡门参数k的计算。

2.2 分析步骤

统计永春（三）站1999年～2002年各流量测次的水位、流量、流速、面积、测速时流速仪的相对位置等。

将不同方法测流的水位～流速关系点据同绘在一张图中，点据分布呈反曲趋势。如按不同测速方法，分别居中定线可绘出三条曲线：从左到右分别为水面、半深、0.6相对水深的水位～流速关系。其中半深和0.6相对位置的水位～流速关系线基本重合，说明现采用的半深系数0.9合适，而水面流速系数明显偏小。

从各个测次的计算结果可知，卡门系数为0.68和0.65时，水面流速系数均为0.87。

2.3 成果的合理性分析

以水面流速系数0.87重新计算各测次的实测垂线平均流速，点绘新的水位～流速关系线。关系线基本上是一条上凹型的曲线，已符合矩形河道的断面平均流速分布线型。因此，初步认为所确定的水面系数0.87是合理的。

3 结论

3.1 人工河道是指河底经人工整治比较平整，河段顺直的河道。《水文测验手册》中天然河道的水面流速K1值表在水流条件良好的河床情况下的取值与本文的分析结果相符合，可作为类似站先用K1值时参考。以0.6相对水深测速代表垂线平均流速，作为计算断面平均流速的标准值，以较为接近天然河流的垂线流速分布的对数型曲线公式作为分析的理论依据，与采用假定水面流速系数测速的断面平均虚流速进行比较，尚能分析出符合本站实际的水面流速系数。

3.2 卡门公式中，水面流速与断面平均流速的差值，可先将两组水位～流速关系概化成直线或取其切线，再选取两个水位的差值，分别计算出k值。本文分析的计算结果表明，卡门参数差别不大。

3.3 对河底经人工整理比较平整顺直的河段，没有水面比降资料时，可以采用河底坡度代替。对没有冲淤变化的站，套用实测大断面面积比较好。