河道糙率的影响因素分析

赵庆奎

(山西省平陆县水利局水资办,山西 平陆 044300)

河道糙率的影响因素分析

赵庆奎

(山西省平陆县水利局水资办,山西 平陆 044300)

简略回顾了糙率研究的历史状况,收集山西 44个水文站的实测水文资料分析后,认为影响河道糙率的主要因素是河床质组成、岸壁特征、植被状况和水流的平面形态,宽深比对糙率有影响,而比降、含沙量、流域面积大小对糙率没有影响。之外,断面上下游河道的地形、地貌和障碍物决定糙率曲线线型的变化。

糙率;河床质;植被;比降;含沙量

1 简略的回顾

河道糙率是反映河床表面粗糙程度的重要水力参数,在涉水工程中多有应用,如交通建设中的桥涵建造、防汛抢险中的洪水演算、水资源调配中的输水损失计算等。1769年法国工程师 A.de谢才从河渠测量中求得计算明渠均匀流的流速公式:

式中:V代表断面平均流速;I代表水面比降;R代表水力半径,即过水断面面积(A)与过水断面湿周(χ)的比值;C即是谢才系数。

求算谢才系数的经验公式很多,其中最为典型的是 1889年由爱尔兰工程师 R.满宁提出的,其原式为:

式中的 n即是通常所说的糙率。

后来人们常将(1)、(2)合并使用来求算流量,即

(3)是经验公式,人们常称之为谢才 ～满宁公式,或干脆称为满宁公式。由于该公式形式简单,结构稳定,应用方便,计算结果较为准确,所以被视为经典,至今仍广泛应用于明渠均匀流计算。按照《水文测验试行规范》(中华人民共和国水利电力部,水利电力出版社,1975年 4月)、《水文测验手册》(水利电力部水利司,水利出版社,1980年 7月)的规定,《中华人民共和国水文年鉴》中所刊印的河道糙率值也都是用满宁公式计算求得的。

苏联从 1890年到 1931年期间,曾建议将 0.85～1.30用作河槽的糙率,而将 1.75用作河滩的糙率,这便是天然河流糙率值估算最原始、最简单的胚胎。当然,实践证明这与实际数值完全不相符合。到 1932年,M..Φ.斯里希雷教授编制出了天然河流的河槽糙率系数表。该表根据 600多个测点的资料编制而成,限于条件和当时的认识水平,该表分类过于简单,河段特征也不够明显,而且将糙率当作与水深无关的定值来处理,也与实际情况不符。

1937年,E..B.包尔达柯夫对糙率系数表进行了改进,即糙率数值随平均水深而变化,但在分类过简和河段特征描述方面仍无进步。1957年,苏联颁布的《铁路桥渡勘测设计规程》中附有天然河流糙率系数表,此表根据上述两表所编制,在水流特征方面增列了流域面积大小。

1960年时 M..Φ.斯里希雷新表公布,新表的依据资料大为增加,而且按山区与平原区河流编制河流糙率系数表,山区河流将比降作为单独因素考虑,并且增加了糙率随水位上升而变化的内容。

我国在 20世纪 50年代至 60年代初期,即是使用上述的苏联糙率表。但在使用中发现与我国情况差异颇大,因此于1960年 ～1961年,由交通与铁道两个部门联合进行了河流洪水糙率研究,从 1961年至 1964年陆续制定出西北地区,西南地区,华北、东北地区,中南、华东地区 4个河流洪水糙率系数表并颁布使用。在编制此表时,使用了全国 353处水文站 1956～1960年的 15 946个测点资料,客观上存在着测站少、代表性差的问题。之外,在以后的经济建设中,许多河流被治理,人类活动影响较大,还有一些是属于认识上的问题,也需要修正。

2 影响河道糙率的因素分析

2.1 影响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标,其构成因素有河床质的组成和结构、河道断面的形态和变化、岸坡特征和植被以及水流的平面变化情况等,限于经济技术水平和条件,目前还无法对这些构成因素进行定量分析。在系统地进行糙率研究时,只能是根据调查和实测到的水文资料进行定性描述,比如对河床质的大小和多少、河道断面的形态(窄深或宽浅型)和变化(顺直或上宽下窄、上窄下宽喇叭口型)、岸坡特征和植被(低灌、高杆农作物或树木)等尽量地使用数字进行文字性描述。当然,也可以拍摄一些照片供分析和使用者参考。之外,一般情况下,山区、山前区、平原区的河流各具特点,这也是分析和使用者所一致公认的,所以应予分别对待。

2.1.1 河床组成、岸壁特征

河床中的泥沙、卵石、原生岩石等组成物的构成及粒径,河床岸壁的表面平整或凹凸情况,构成河床和岸壁的表面粗糙度。此外,岸坡的陡峻、倾斜程度,中、低水深时有无边滩,都会引起湿周的变化,从而产生各种组合情况下对水流不同程度的阻力影响因素。

2.1.2 植被状况

主要指河床岸壁及岸滩植被的有无以及种类、密度、高度、季节或年际变化等。

2.1.3 河段平面特征及水流情况

如河段顺直或弯曲程度,平面扩散、收缩形态,上下游有无卡口、急滩、闸坝、桥梁、支流汇入,岸边水流是否畅通或有无漩涡、死水等。

由于天然河流的复杂性,无法通过影响因素对糙率进行定量分析。因此通用的方法是根据实测水文资料综合分析糙率取值及其变化情况。

糙率 n值的变化受到上述诸多因素影响,而这些因素的变化情况,不但不同特性的河流不同,即使是同一条河流的上、下游各处,乃至同一河段的各级水深时也是不一样的。因此,各个具体河段糙率的大小及其变化,决定于上述诸因素综合作用的结果。也即是说,在影响河道糙率的河床质组成、岸壁特征、植被状况、平面形态这些因素中,只要其中任何一项发生变化,就可能会引起糙率 n值的不同程度变化。如果其中多项因素均发生变化,通过综合作用的结果,可能会出现糙率 n值的巨变、微变、不变多种情况。因此,糙率随水深变化的 h～n关系曲线,实际反映了某一河段各级水深时上述 4项因素综合影响的结果。在某一级水深变幅,如果这种综合作用的影响逐渐地增大了对水流的阻力,则糙率n值也增大,反之则减小,如果维持不变,则 n值也不变。

从实地勘查和阻力分析中认识到的一般情况是,低水深时随着水深的减小,河床底部相对糙度和湿周的影响越来越大,所以糙率增大;随着水深的增加,床面影响逐渐减小,岸壁影响增大。如果岸壁是天然岩石或人工浆砌的,或虽然是土质但相对平整、规则,且植被稀疏,河岸线顺直,河床和岸壁的综合影响对整个水流的阻力相对减小,则糙率随水深的增大而减小;如果岸坡凹凸度大,坎坷不平,岸边线不顺直,而且随水深的增加越加显著,或是随着水深的增加有了植被影响,如树林、高杆农作物,而且密度渐增等等,则低水深以上可能出现糙率增大的情况;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、植被等情况下的阻水作用互相抵消了,则可能糙率值不变。

2.2 其它影响因素

2.2.1 河道比降对糙率的影响

从理论上来讲,河道比降与糙率取值是没有直接关系的。对于某一具体河段来说,由于河道地形地貌和河床质的组成结构是既定的,所以,它的糙率也是一个定值。即在人们认识它以前或以后,它是一个确定的值,仅仅在水深发生变化时,由于水流与河床的接触面发生了变化,糙率值才发生变化。倘若人工砌筑两个相同的过水断面,即床面组成结构和断面形态均相同,则糙率值是一致的。在其底坡有所差异时,根据满宁公式,比降大时因其流速大而过水能力强,流量大;底坡小的因其流速小而过水能力弱,流量小。实践中,有一个普遍的现象需要注意,即比降大的河流均在山区、山前区,而平原区河流的比降一般都比较小。比降大的河道,其河床质都较为粗硕,粒径大,对水流的阻力也大,糙率值也大。从某种意义上来讲,无论是满宁公式,还是河道实际,其实质都暗涵了比降的因素,但在实践工作时,笔者认为,不必将比降单独列为影响因子。

2.2.2 河道宽深比对糙率值的影响

河道宽深比实际上是河道断面的一个形态系数。宽深比大,则说明河道呈现为宽浅型;宽深比小,则说明河道呈现为窄深型。一般意义上讲,宽浅型河道因河床底部河床质对水流的阻力作用相对较大,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 水流含沙量与糙率的关系

关于水流含沙量的多少对糙率的大小是否具有影响,笔者使用山西汾河柴庄水文站的资料进行了分析,即使用在洪水时期测取到的平均水深近似相同时的含沙量与糙率资料进行相关分析,如附图 1、2、3给出了柴庄水文站平均水深分别在 1m、2m、3 m时的糙率与含沙量相关图,由图可见,含沙量的多少与糙率基本没关系。所以认为,影响糙率的主要是河床水力条件,而洪水含沙量主要消耗水流的内能,它并不影响水流与河床的接触条件,故而含沙量与糙率是没有关系的。这一点前人也已经有过结论。

2.2.4 流域面积与糙率没有关系

由上述讨论可知,影响糙率的主要是河床的水力条件,而流域面积的大小和形状与河床的水力条件是没有关系的。故此在分析河道糙率时,考虑流域面积的大小和形状是没有必要的。有人在分析使用糙率时要考虑该站是大河站还是小河站,实际上,这些因素与河床的水力条件,即糙率基本没有直接的联系。

3 糙率曲线的线型和影响因素分析

使用糙率在各级水深时的测定值,建立其关系曲线,因各个河段的糙率影响因素不尽相同,所以其关系曲线表现各异,而且有的差异颇大。笔者收集山西 44个水文站的糙率实测资料(计有山区水文站 33处,山前区水文站 6处,平原区水文站 5处),建立了各自的关系曲线,按照山区、山前区、平原区分类时,即使在相同的地类区,糙率曲线的线型也有很大差异。如山区站共有 33个,在综合其类型时,仅有 18个站能够综合成为 7种线型(占山区站总数的 54.5%),其余的只能以单站形式列出。

糙率曲线的表现形式有正向、反向、常数型、左开口弓型、右开口弓型、弯曲型 6种(参见文后附图),其表现形式和影响因素分析如下。

3.1 左开口弓形线型

随着水深的增加,糙率值先增大而后又渐次减小。其原因是中、低水深时河槽对水流的阻力较大,到某一水深时,水流突然畅通,阻力渐小。

3.2 右开口弓形线型

造成这种线型的河道情况大体上是因为测验河段上、下游均有桥梁、低坝或是河道中有天然生成的石质卡口、急滩、弯道等,中、低水深时上游河道状态对水流起主要影响作用,水流通畅,糙率渐小;高、中水深时下游河道状态对水流发生了更大影响,对水流形成阻滞,而且呈现为越来越大的趋势。

3.3 弯曲线型

弯曲线型糙率随水深的增大呈复杂变化。其形成原因比较复杂,低水时由于河槽床面对水流的阻力而使糙率值比较大,随着水深的增加,糙率值相应趋小。当水深再度增加时,由于岸壁或下游阻力影响,糙率值再度增大,而当水深增加至扩散或开阔位置时,水流通畅,糙率值再度发生降小趋势。

3.4 常数型

糙率值不随水深的增减而变化。其原因较为复杂,实质上是影响河道对水流阻力的因素在各级水深时的消长互相平衡,致使糙率在各级水深时始终没有太大的变化。

3.5 正向线型

糙率值随水深的增加而增大。这种线型的水文站测验河段一般较为顺直,但下游有急滩、卡口、弯道、桥梁或支流汇入等情况,使得高、中水深时水流不够顺畅,甚至有回流、顶托等现象。也有的是在高、中水深时有树木或高杆农作物起阻水作用,因而使糙率值趋大。

3.6 反向线型

糙率值随水深的增加而减小。一般情况下,在测验河段的下游有河道扩散呈喇叭口状,或上游河道有卡口、石梁、急滩等以致水流特别畅通,两岸边坡植被稀少,甚至是规整的石质岸坡等,对水流的阻力很小,所以随着水深的增加,糙率值不增反降。

总之,某一水深时的糙率大小取决于河床质组成、岸壁特征、植被状况以及河段的平面形态,而造成糙率曲线形态变化的原因是分析河段上、下游地形、地貌的影响(当然,这些影响还与其距离有关)。河道纵、横两方面对水流阻力条件的差异和变化,综合决定了的糙率关系曲线的取值和走向。

4 结论和建议

根据上述讨论,可以得出这样一些结论:

(1)影响河道糙率的主要因素是河床质组成、岸壁特征、植被状况、水流的平面形态;

(2)河道的宽深比对糙率有影响,而比降、含沙量、流域面积大小对糙率没有影响;

(3)河道糙率曲线的变化受到断面上下游地形、地貌和障碍物的影响。

(4)工程实践中经常有盲目套用糙率值的情况,甚至在技术文件中有某条河糙率为多少的提法,这都是不对的,应该根据具体河段的具体情况选用糙率值,以免造成工程建设的不合理情况发生。

(5)建议根据我国各地的水文实测资料进行河道糙率的研,以探索糙率变化原理并修正不正确看法,更好服务于国民经济建设。

[1]钱宁,黄河下游的糙率问题,《钱宁论文集》,清华大学出版社,1990年 4月。

[2]程进豪等,黄河山东段河床糙率分析,《水利学报》,1997.1.

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1004-1184(2011)01-0176-02

2010-09-19

赵庆奎﹙ 1967-﹚,男,山西平陆人,工程师,主要从事地下水资源监测、管理及研究工作。