南运河畅流期与冰期河道糙率计算及变化规律分析

雷 蕾

(河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071000)

南运河畅流期与冰期河道糙率计算及变化规律分析

雷 蕾

(河北省保定水文水资源勘测局，河北 保定 071000)

河道糙率是反映河流阻力的综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的特征值。天然河道糙率一般由河道各种糙率单元综合组成。河道糙率是河道工程水力计算中的重要因素，关系到天然河道输水能力和行洪标准的确切评价。南运河处于漳卫南运河水系的最下游，河道全长309 km，是历史上京杭大运河的下段，也是引黄、引江南水北调东线方案的输水干线。通过对南运河畅流期及冰期糙率进行计算，并对畅流期与冰期糙率变化规律进行研究。结果表明，在畅流期，流量不同时，随着流量的增大，河道糙率逐渐变小。当增大至滩地过水(120 m3/以上)的情况下，河道糙率又有所增大。冰期河道糙率与期畅流期相比，冰盖下输水糙率值明显增大。研究河道畅流期与冰期糙率的变化规律，对南运河冰期输水监测具有指导意义。

南运河；糙率；冰期糙率；水流变化

1 南运河概况

1.1 河道基本情况

南运河属于蜿蜒型道，处于漳卫南运河水系的最下游，自四女寺枢纽至十一堡节制闸，河道全长309 km，是历史上

京杭大运河的下段，也是引黄、引江南水北调东线方案的输水干线。自上至下分成三段，上段是四女寺节制闸至捷地分洪闸，中段是捷地分洪闸至九宣闸，下段自九宣闸至十一堡。在上段和中段的末尾有捷地减河和马厂减河可以分洪入海。各段河道技术指标见表1。

表1 南运河各段技术指标表

河槽为砂土质组成，单式U型断面，河床多属粉质壤土和砂质壤土，河底纵断起伏不平。岸壁除险工段有砌石或抛石护坡外，亦均属砂土质，左右堤之间多有滩地，有的并有小埝保护，滩地土质肥沃，用于种植各种粮食作物和蔬菜。

1.2 资料观测

南运河先后设置有四女寺、德县、李门楼、安陵、桑园、东光、泊镇、捷地、沧县、北陈屯、九宣闸等水文站或者水位站，以观测水位、流量、含沙量等。1958年以前水文年鉴还刊印了德县、东光、捷地的水面比降和糙率资料，以德县站计算南运河的输水量。1958年修建四女寺枢纽，改为以四女寺闸下水文站计算南运河输水量。1967年开挖子牙新河，在沧县周官屯建子牙新河穿运枢纽工程，建南运河周官屯节制闸。除引黄济津输水期间设临时站观测水位流量外，未正式设南运河观测站。1973年修建安陵和北陈屯枢纽，1975年增设北陈屯水文站，同时撤销南运河捷地站水文观测，1976年增设安陵水文站。引黄输水期间，临时设立南运河代庄水文站。

1.3 资料来源

1965年南运河河务管理局实测南运河铁路桥至九宣闸纵横断面图，1976年南运河管理处实测四女寺至九宣闸纵横断面图，1983年河北水利厅勘测设计院实测南运河四女寺至九宣闸纵横断面图。水文资料以南运河上四女寺、安陵、代庄、捷地，北陈屯、周官屯、九宣闸实测水位、流量、冰清、含沙量，包括冬季引黄输水期间的水文资料。

2 畅流期糙率计算

2.1 推算糙率的方法

糙率是反映沿程损失的一个系数，那么从实测资料中反求，也只能采用沿程损失。当水流成恒定均匀流时，水深、流速沿程不变，水面比降等于能面坡降，能量全系沿程损失，此时可以直接用水面比降代入曼宁公式中，从实测资料中反求糙率。

具体计算是首先根据1965、1976、1983年南运河实测纵横断面资料，按当时具有的水文资料，将南运河分成几个计算段，选择与纵横断面测量时间相近的水文资料，绘制各站的水位流量关系曲线，据此确定各站不同流量的相应水位，然后采取试算法，先假定一个糙率值，根据河道末端不同流量的实测水位，沿着选定的断面逐一向上推算，直到上一个有实测水位流量资料的水文站止。如果计算所得水位与实测水位不同，则另行假设糙率，重复计算，直到推算水位与实测水位基本相等为止，此相符的糙率就是该河段的实际糙率，其他河段依次类推。遇大流量上滩地则按左右滩地和主槽分别计算，滩地糙率按子牙新河设计和水电部东北勘测设计院提供的“滩地糙率表”取0.030。

2.2 计算公式

实际计算中用天然河道稳定渐变流的基本公式计算，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中1、2为逆水流方向断面编号；

Q为设计流量，m3/s；L为断面间距，m；ΔH=H2-H1为断面1、2的水位差，m；V是断面流速，m/s；

(4)

(5)

A为过水断面面积，m2；X为湿周，m；ε为局部阻力系数。

2.3 计算结果

根据1983年实测纵横断面，主槽糙率选取0.025，滩地糙率选取0.030。计算成果见表2。

表2 南运河各段不同流量糙率值表

3 冰期综合糙率计算

3.1 冰期河道阻力的组成

冬季因为气温下降，出现冰花，使水流粘聚力增大，同时随着暗冰的形成，岸壁的摩阻力增大，又占据部分过水面积，另外流冰和冰花随水浮动，加强了水流的紊流作用，使水流动能作用有所消减。

河流动力学中关于河道阻力的划分，可以分为床面阻力岸壁阻力和河床形态阻力(如弯道、断面缩小与扩大等)，对于多沙河流床面阻力又可分为沙粒阻力和沙波阻力等．现一般计算冰期河道阻力时多简化为只考虑河床阻力和冰盖阻力，不划分沙粒阻力与沙波阻力。阻力计算公式多采用曼宁公式计算：

(6)

式中：n为河道综合糙率系数(也称河道综合糙率)；R为水力半径，宽浅河道时就是水深h；v为平均流速；J为能坡。

3.2 河道综合糙率计算

冰盖的存在使过流断面的湿周增加，水力半径减小。冰盖和床面的糙率共同决定过流的综合糙率。理论和应用上需要研究综合糙率、冰盖糙率、床面糙率和相关的水力因素之间的定量关系。一般有两个主要问题需要解决：(1)冰盖糙率的确定；(2)已知河床及冰盖糙率的情况下，计算渠道的综合糙率。

冰期过流的河道综台糙率n可由床面糙率nb和冰盖糙率ni组成，在封冻河道中假定冰盖和河床不同周界内取其流速等于断面平均流速，取冰盖和床面湿周各为总湿周之半，的关系通常多采用下述表达方式。

(7)

3.3 冰盖和河床糙率的计算

分析南运河各段实测资料，河床糙率采用畅流断面河床平均糙率nb,河床平均糙率用下列公式表示：

(8)

在南运河各段河床糙率nb已知的情况下，利用曼宁公式、谢才公式及综合糙率公式，我们就可以计算某个流量下的具有冰塞和及冰盖下的糙率ni的计算公式：

(9)

计算结果表明，在封冻期具有冰塞的冰盖糙率有明显的波动现象，这可能是河段封冻后上游继续有冰花向下游冰下输移的结果。计算成果见表3。

表3 南运河冰期各段不同流量糙率值表

4 不同时期糙率变化规律分析

4.1 畅流期糙率变化规律

分析各河段糙率可以看出，各河段河道糙率不同，有一定的差别，只要是由于各河段的比降和河床构成有关，四女寺-捷地比降1/18 536，捷地-九宣闸比降1/26 517四女寺-捷地河道糙率0.022 5，捷地-九宣闸河道糙率0.022 9(50 m3/s)；不同流量情况下，随着流量的增大，河道糙率逐渐变小。当增大至滩地过水(120 m3/以上)的情况下，河道糙率又有所增大。

4.2 冰期糙率变化规律

在历次引黄济津工程中，南运河始终作为输水的主干河道，针对南运河进行了专门的冰期测验观测，选用南运河捷地-周官屯河段封冻期的综合糙率进行分析比较。

冬季输水期相同流量维持时间较短，因此，经比较选取南运河捷地-周官屯河段输水流量50 m3/s时，根据上下游断面参数值反推糙率。经计算，综合糙率平均值为0.037 0。与以上计算安陵到九宣闸平均值0.037 25相吻合，与畅流期河道糙率0.025 0相比，冰盖下输水糙率值明显增大。

冬季输水过程中，河道糙率随着流量的增大，冰盖所占比例减小(南运河非宽浅型河道)，冰期河道综合糙率逐渐变小，流量从50 m3/s增大到80 m3/s，全段河道糙率则从0.036 2减小到0.033 2，大流量输水可以减少冰盖对输水的影响。说明过流断面不同水位、流量下的综合糙率也是一个变值。

4.3 冰盖对河道糙率的影响

由于冰盖的存在加大了过水断面的糙率，对比无冰盖时的水位、流量，可进一步分析冰盖对河道过水能力的影响。统计连村、代庄、周官屯站相同流量条件下及相同水位条件下有无冰盖期水位、流量对比见表4、表5。由表4可知，在过水流量相同条件下连村、代庄站冰盖下输水比无冰时水位分别抬升了0.34 m(水深3.41 m)、0.24 m(水深2.20 m)，抬升率分别为11.1%、12.2%。说明封冻期输水由于冰盖的存在造成水工建筑物上游河道的水位上涨，影响提防安全。由表5可知，在相同水位条件下连村、代庄、周官屯各站冰盖下输水比无冰时流量分别减少11.7、13.8、17.1 m3/s，减少率分别为27%、26%、34%。表4和表5结果显示，由于冰盖的存在，过水断面糙率加大，相应减少过水面积。与河道畅流期相比流速减小，相同水位下过水流量减小或相同流量下水位升高。对河道的冬季输水将产生不小的影响。

表4 相同流量条件下输水水位对比表

表5 相同水位条件下输水流量对比表

5 结语

河道糙率是反映河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征值。糙率增大，水流的能量损失大，输水效率降低。通过对南运河畅流期及冰期糙率进行计算，并对畅流期与冰期糙率变化规律进行研究，可基本明确，在畅流期流量不同时，随着流量的增大，河道糙率逐渐变小。当增大至滩地过水(120 m3/以上)的情况下，河道糙率又有所增大。冰期河道糙率与期畅流期相比，冰盖下输水糙率值明显增大。特别是在封冻期由于水流受冰盖的束缚，糙率突然加大，在河床和冰盖综合糙率的影响下，水流的流速、水位、流量与河道畅流期相比将发生很大的变化。输水河流形成冰盖后,由于冰盖底面阻水作用,使流速沿水深分布规律发生变化,断面平均流速减少,根据各监测断面实测结果，形成冰盖前,河流水面位置流速最大, 形成冰盖后,一般为0.5倍水深位置流速最大。研究河道畅流期与冰期糙率的变化规律，对南运河冰期输水监测具有指导意义。

[1]颜丙池.南水北调冰期输水原型观测与研究.河北水利水电技术.2002.2.

[2]郭海燕，封春华.引黄济津冬季输水冰情观测及初步研究.河北水利.2004.6.

[3]惠遇甲.冰期河道糙率分析计算和方法研究现状的评述.泥沙研究.1994.1.

[4]隋绝义，方达贤.江河冰塞糙率的分析研究.水利学报.1993.8.

[5]高霈生，靳国厚，吕斌秀.南水北调中线工程输水冰情的初步分析.水利学报.2003.110.

2017-04-06

雷蕾(1990-)，男，河北沧州人，助理工程师，主要从事水利水电工程方面的工作。

TV143+.5

B

1004-1184(2017)04-0148-03