输水渠道糙率推求的一种新方法

李洪亮

（1.中国海洋大学，山东青岛 266000；2.德州市李家岸灌区管理局，山东德州 253014）

输水渠道糙率推求的一种新方法

李洪亮1，2

（1.中国海洋大学，山东青岛 266000；2.德州市李家岸灌区管理局，山东德州 253014）

在渠道规划设计中渠道糙率的推求有多种方法，本文介绍一种基于灌区渠道信息化数据资料推求糙率的新方法。该方法在李家岸引黄灌区总干渠水能研究中进行了实践和验证。

引黄灌区；渠道；糙率推求

糙率系数作为水力计算中一个至关重要的参数,对其变化规律及取值范围的研究是进行各种水利工程设计、施工、运行和管理工作的重要依据。糙率值一般由实验数据测得，使用时可查表选用。在河流或渠道已有流速资料的情况下，也可以由谢才——曼宁公式反求糙率值，与查表所得的值相互验证而加以选定。

李家岸总干渠为人工开挖的规则渠道，以前在规划设计中糙率取综合糙率，按土渠糙率0.022 5和衬砌坡糙率0.017加权平均得到。对土渠和混凝土板边坡糙率没有进行率定，根据经验取值，这样容易降低计算精度。

1 糙率推求

1.1 基础资料搜集

德州市李家岸灌区2010年在总干渠5个测水站设水情管理系统，在李家岸、谭屯、崔许、王宝、宫家、牛角店站所设立了水位采集点，采用非接触式雷达水位计采集总干渠水位，自动采集时间间隔为10 s，数据自动保存在数据库。

1.2 计算原理

各测站之间的距离是固定的，李家岸、崔许、宫家、牛角店各站点间的长度分别为：12.617 km、19.8 km、14.898 km。依托灌区信息化水位变化监测系统，推求水流的传播时间Δt，推求出平均流速V，从而推求出渠道流量。

1.3 计算方法

通过近一年的运行和完善，至2012-09，水位采集系统日趋完善成熟。通过对相关测站的水位数据库资料进行整理，绘制水位时间过程线，将上下游测站的水位过程线进行趋势相关法对比（趋势线拟合法），分析出测站间的水流传播时间Δt，通过水位计算断面面积，进而计算出流量。

由于采集信息是在沿途各口门严格关闭的情况下，灌区自动化系统运行时间不长，录入的有效数据较少，目前尚没有不同流量的水位流量关系资料，但可基本满足本灌区糙率推求的需求。依据灌区信息化数据库资料以及推求出的流速、流量数据，根据明渠均匀流公式反求渠底糙率和边坡糙率，后计算不同水位的综合糙率。

2 糙率的率定

2.1 测站选择

根据灌区总干渠断面实际情况，渠首至崔许闸段为输沙渠段，边坡和渠底均未衬砌。崔许以下段边坡采用混凝土板衬砌，渠底未衬砌。因此，选取渠首、崔许段、宫家、牛角店4个测站的数据库。

2.2 水位资料的提取与整理

根据当时主要向牛角店以下宁津和乐陵水库供水的实际情况，此时引水口门全部关闭。为提高计算精度，对渠首至牛角店间的引水口门进行了全面排查，对存在漏水的4个口门进行了封堵，测验段流量损失只有渗漏和蒸发，率定的糙率应是最切合实际的。根据目前自动化系统存贮的信息，选取2011-09-30～2011-11-06的水位资料，以上述时间来水历程作为基础资料，通过计算机程序提取数据和各闸测站的水位过程线。以谭屯至崔许为例进行分析计算。

2011年10-11月谭屯站水位过程线

2011年10-11月崔许站水位过程线

2.3 水流传播时间Δt推求

计算Δt可通过两种方法。一种是过程线平移法：尽管相关测站同一时间水位变化量不同，但如果将下一测站的时间提前一定的范围，变化趋势线相对平行，提前的时间即是水流传播时间Δt。因此，将水位过程线通过平移法，趋势相同时，特别是变化凹凸点相对应时，水平平移座标变化量即为对应特征水位或流量的Δt。一种是数据分析法，通过数据分析找到变化趋势对应点，通过对应点的时间坐标差求得Δt。根据各站水位过程线可知各相关站点的水位随时间的变化趋势大体相关。实践中采取两种方法结合的办法，即通过过程线平移法找到密切相关的时间段，再从中提取相关数据。

通过谭屯至崔许相关段水位过程图，调取两站2011年10月10日8点至15日8点的水位数据，通过电子表格求极值法，取得谭屯站水位最大值（波峰）24.06 m，出现时间为15日13∶08∶39；水位最小值（波谷）24.02 m，出现时间为15日10∶05∶19；崔许站水位最大值（波峰）23.24 m，出现时间为15日18∶15∶43；水位最小值（波谷）23.20 m，出现时间为15日15∶21∶01；谭屯站波峰传到崔许时间为5 h 07 min 04 s，波谷传播时间为5 h 15 min 42 s。

两测站之间距离是11.624 km，水流波峰传播时间Δt=18 424 s，波谷传播时间Δt=18 942 s。

2.4 糙率推求

根据以上波峰和波谷的水流传播时间，利用下式得到不同水位的平均流速。

V=L/Δt

式中：V为流速，m/s；L为两测站间距，m；Δt为两测站出现相应波峰或波谷的时间差，s。

可得两测站间的水位与平均流速建立对应关系，同时计算此水位下的断面面积，得平均流量，根据流量、流速、比降、底宽、边坡等条件反求得不同水位的糙率，根据从低到高建立水位糙率关系。依据下式通过假设边坡和渠底糙率试算N综。

N综＝（L底×n底+L边×n边）/（L底+L边）

式中：L底、L边为计算断面渠底、边坡（两边坡之和）长度，m；n底、n边为计算断面渠底、边坡假定糙率；N综为计算综合糙率，无量纲。

通过假设边坡和渠底糙率试算N综，计算结果不可能与反求糙率全部拟合，对反求糙率与试算糙率的比值进行一致性检验，采用格罗布斯准则进行。当g(n)＜g0（n，0.05）时，数据具有一致性，因此，可取此时假设渠底和边坡糙率值作为已知糙率，由综合糙率计算公式可得不同水位的综合糙率。

取两测站中间断面桩号6+864，则高水位为23.65 m，低水位为23.61 m，根据断面因素表取得桩号6+864处渠底高程为21.57 m，则高、低水位时的水深分别为2.08和2.04 m。通过流速计算流量，然后反求综合糙率N，计算结果详见表1。本段均为土坡，实验值需验证数据一致性。计算该组数据均方差S为0.000 3，单差最大为0.000 46，g(6)=1.54＜g0（6，0.05）=1.82，计算结果详见表2，数据具有一致性。因此，输沙渠段糙率取值为0.025，总干渠未护底段的渠底糙率亦取此值。

3 结语

本文提供的方法虽受各种输水条件限制，不一定是最合理的，但基于信息自动采集，具有随用随取的便利。本方法只是一个初步的探索，以后还要不断修正完善。

TV131

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1009-6159（2014）-10-0020-02

2014-06-17

李洪亮（1970—），男，高级工程师