M9在河道糙率计算中的应用研究

谢志锋

(广东省水文局茂名水文分局，广东 茂名 525000)

0 前 言

目前河道的糙率得来常用的途径有两个，一是曼宁公式法，二是采用“查表法”。但以上两种方法各有其缺点。糙率与河道水力因素之间关系目前难以定量研究，而受各种因素影响的糙率在河道中的最终反馈就是改变流速的大小。文章将注重着眼于糙率与流速的关系，利用流量测验的现代化设备M9实测流量数据量大、实测流速垂线多的特点，在无水面比降资料的前提下，把流量测验与糙率计算结合，定量分析和计算河道的糙率。

1 糙率及计算公式

1.1 糙率

糙率n又称粗糙系数，在水流运动过程中直接影响沿程能量损失的大小，是综合反映管渠壁面粗糙情况对水流影响的一个系数。

从实测资料中来分析糙率，应采用沿程损失反求的途径。即在恒定非均匀流条件下，要扣除局部水头损失；在非恒定流中，还应考虑加速比降的影响。此外，对于河段为复式断面，还应划分主槽、滩地分别分析糙率。

糙率分析计算方法原则上仅能用于较稳定的河槽。对于河槽不稳定的河流，河流阻力常受水流与河槽交互作用的影响，分析计算的糙率是近似成果，误差较大，要慎重使用。目前河道的糙率的分析有两种途径：其一是根据实测的流量、比降资料分析。缺点是必须有比降资料，且计算中引入了比降观测误差等，使计算结果的合理性存在不确定性。其二在无流量观测时，常采用“查表法”选用河道糙率。优点是用“查表法“确定糙率方便快捷。缺点是各类各样的表格繁多，难以取舍；这些表格均是定性描述、综合归纳、分类取值，则会常因人而异，充斥着主观任意性和经验性，成果难以保障。

1.2 糙率分析要求

糙率分析应满足以下要求。

1)实测流量同时有同步观测水面比降，需分析其成果的测验精度、可靠性和水面比降合理性。

2)有实测流量资料，并采用曼宁公式反算糙率时，应对水面比降作流速水头项的校正。对断面冲淤严重或溢流、分洪、溃口的测流资料，应予剔除。

3)当滩地水面宽度占主槽水面宽度的1/2及以上的严重漫滩，滩地与主槽水深相差悬殊时，宜按主槽、滩地分别计算糙率。

4)分析不同水位下洪水特性的糙率，应有30～50个测点。以峰、谷及水位平稳期各测点的糙率与平均水力半径或断面平均水深或水位建立关系(建立的关系曲线称糙率曲线)，并绘制非恒定流的测点，检查其分布趋势及合理性后，进行综合定线。当满足相关规范要求时可以定成单一线，并经过与各种情况的实测资料校验后可正式应用。

1.3 糙率计算一般规定

糙率计算所用公式，原则上只适用于水位流量关系为单一曲线，或只受涨落率影响的测站。水流平稳期和峰顶，用恒定非均匀流公式；洪水的涨、落过程，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时，也可不计加速比降，如以下两种情况。①如水位流量关系为单一线，不计加速比降。②如水位流量关系受涨落率影响为绳套线，其洪水过程中加速比降占相应水面比降的百分比最大值≤5%时，加速比降可忽略不计。

1.4 流速比糙率公式

水流在天然河道中大多充分紊动，河道边界的粗糙程度普遍很大。紊流状态的水流，引起脉动现象的主要作用力是紊流附加切应力。紊流附加切应力与水流边界的粗糙程度密切相关。边界越粗糙，附加切应力越大，脉动越厉害。

在测流断面基本上满足稳定均匀流的条件下，假定垂线流速呈对数分布，紊动水流任意垂线上流速满足一定的分布规律。利用相对水深0.2和0.8处的流速比来作为垂线的流速比系数，可推出河道的无比降系数的流速比糙率公式为：

(1)

(2)

采用上述公式计算河道糙率n，只需求得测深垂线上相对水深0.2和0.8处的测点流速即可，省略了比降的观测，大大增加便利性[1]。

2 M9垂线流速的处理

M9流速筛选软件最多可按五点法输出相对水深0.0、0.2、0.6、0.8及1.0处的测点流速。公式(2)是采用测流垂线相对水深0.2和0.8处流速的比值作为垂线流速比而推导出的糙率计算公式。按照原理，可以用垂线上任意2点的流速比值作为垂线流速比系数，M9流速筛选软件可勾选输出五点法的任意2点的流速，极大拓展了流速比糙率公式的数据选用范围。例如某个断面的部分垂线相对水深0.8处的流速由于垂线水深较浅或其他问题无实测数据或数据不理想，可以改为选用测流垂线相对水深0.2和0.6处流速的比值作为垂线流速比等。

下面以M9流速筛选垂线相对水深0.2和0.8处的流速为例，说明如何运用M9实测流量数据来计算断面平均流速比。

步骤一：通过M9测流软件“RiverSurveyor Live ”选择后缀名为*.riv的某测次的流量数据文件(可有多个半测回)，设置航迹参考、水深参考及坐标系统等相关参数，如航迹参考使用GGA或者VTG模式还应设置艏向校正和GPS补偿，使某测次数据的各半测回误差等满足规范要求。同步输出所有半测回流量的ASCII格式文件，此文件格式可以查看各条垂线中的各个剖面流速流向。

步骤二：在软件提供的测量成果汇总表中查得面积A和水面宽B，则平均水深为A/B。利用图1的M9流速筛选软件，逐次选取所有半测回流量的ASCII格式文件中后缀名为*.vel的数据文件，“输出水深个数”选“2”即可输出EXCEL数据格式的相对水深0.2和0.8处测点流速V0.2和V0.8值。

步骤三：每个半测回的某一垂线相对水深0.2和0.8处测点流速V0.2/V0.8即为某一垂线的流速比系数。所有的垂线流速比系数平均可得每个半测回的Kv。某测次所有半测回的Kv平均即得某流量测次的Kv值。

3 实测资料检验

为检验公式(2)检验其可用程度和实用价值。文章选择了平原丘陵区较大流域和平原区灌溉干渠的部分M9流量实测资料来分析公式的合理性和适用性。

3.1 河流概况

1)鉴江发源于广东省信宜市东镇镇庄垌村虎豹坑，由北向南流经信宜市、高州市、化州市、吴川市四县市至广东省湛江市坡头区乾塘镇沙城村注入南海。鉴江流域总面积6914km2(扣除袂花江)，干流全长231km，总落差406m，平均坡降0.398‰。多年平均年降水量1812mm，多年平均年径流深975mm，在茂名市境内的流域面积为5576km2，约占全流域的80.6%，上游广西省境内的集雨面积800km2，下游湛江市吴川市集雨面积538km2。

鉴江流域支流众多，其中集雨面积>100km2的一级支流有：小水河、北界河、大井河、南塘河、曹江、沙田河、罗江、塘缀河等；二级支流主要有：黄塘水、云炉河、新垌河、排亭水、播扬河、平定水、中垌水、官桥河、石湾河等。

2)南盛拦河坝是鉴江干流梯级开发的第二级拦河枢纽，是一宗通过壅高鉴江上游天然来水及高州水库放水调节为主的大型水利工程，主要供茂名石化公司及茂名热电厂工业用水、茂名市区其他工业及生活用水，并灌溉化州市、茂南区、吴川市等地的农田。拦河坝上游数十米处的东堤岸开设有排水口，堤岸外面并排开辟有两条河道。北河道为工业渠，水源主要供给茂名市区、郊区工业、农业及生活用，而南河道即为本次分析站点南盛(工业渠道)站所在的农业渠，水源主要供给化州市、吴川市等地的农业灌溉用。农业渠水面比降为0.2‰。

3.2 测站情况

1)化州水文站地处广东省茂名市化州市，在鉴江干流下游，测验河段位于丘陵地貌区。该站测验河段顺直河段长约为1.1km，属于河槽控制。断面下游60m和150m各有公路、铁路桥梁一座，对水流有一定拦蓄作用。断面上游约5km处有江边村拦河坝，下游约8km处有高岭拦河坝。上下两坝节制闸的启闭对本站的水位、流量变化有较大影响，特别是在低水时，影响尤为突出。

低水时右岸有漫滩现象，中弘偏右岸。河床为砂质，河底平顺性一般，水流较通畅，基本上无死水、斜流或回流。

2)南盛(工业渠道)站地处地处广东省茂名市化州市南盛街道办，在南盛拦河坝闸下600m，河段顺直，水流通畅，两侧岸壁及渠道底坡均为混凝土，渠底平整，部分地方有少量淤积的细沙，断面呈规整的梯形[2]。

3.3 检验结果

4 结 语

1)在计算断面流速比系数时，传统水文流量测验的流速仪法需寻找有代表性的垂线并实测每条垂线相对水深0.2及0.8处的流速，耗时费力。文章利用现代化流量测验设备M9实测流量数据量大、实测流速垂线多的特点，使得出断面流速比系数更省时快捷精准；2)按照流速比糙率公式原理，可以用垂线上任意2点的流速比值作为垂线流速比系数。M9实测流量的每条垂线包含了相对水深的很多测点，极大拓展了流速比糙率公式的数据选用范围。为进一步研究流速比糙率公式适用范围提供了思路。

3)利用曼宁公式计算糙率须有比降资料，但在天然河道观测比降困难较多，且比降观测误差较大，不甚便利。利用流速比公式计算糙率，无需比降资料，且M9适合野外流量测验，便利性大大提高；4)文章计算的两站的水位-糙率关系良好，证明在无水面比降资料河道利用流速比公式计算糙率是一种切实可行的方法。