戴菊真

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人工河道斷面水面流速系數(shù)的探討

戴菊真

泉州市山美水庫(kù)管理處

人工河道斷面水面流速系數(shù)在無(wú)精測(cè)法資料可供對(duì)比分析的情況下，采用比照同類站直接選用具有一定的盲目性。以0.6相對(duì)水深測(cè)速代表平均流速，作為計(jì)算斷面平均流速的標(biāo)準(zhǔn)值，以較為接近天然河流的對(duì)數(shù)型垂線流速分布公式為理論依據(jù)，與采用假定水面流速系數(shù)測(cè)速的斷面平均虛流速進(jìn)行比較，分析水面流速系數(shù)。并用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的量化標(biāo)準(zhǔn)反證所求水面流速系數(shù)是比較簡(jiǎn)便易行的。

人工河道斷面 水面流速系數(shù) 流量測(cè)驗(yàn)

水面流速系數(shù)是斷面實(shí)測(cè)流量與同時(shí)施測(cè)水面流速計(jì)算出的虛流量之比值。《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179－93中規(guī)定：暢流期水面流速系數(shù)應(yīng)由多點(diǎn)法測(cè)速資料或其他加測(cè)水面流速的資料分析確定，或根據(jù)實(shí)測(cè)的水面比降、河床糙率等資料分析計(jì)算?！端臏y(cè)驗(yàn)手冊(cè)》中，給出了天然河道在沒(méi)有資料時(shí)，可參照選用的水面流速系數(shù)K1值表，還給出了有實(shí)測(cè)河床糙率資料及與弗汝德數(shù)Fr1、水面比降有關(guān)的水面流速系數(shù)計(jì)算式。

本文探討無(wú)多點(diǎn)法測(cè)速資料或其他加測(cè)水面流速的資料情況下，河道流量測(cè)驗(yàn)中如何合理地確定水面流速系數(shù)。解決以下兩個(gè)問(wèn)題：①《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》給出了天然河道的水面流速系數(shù)參照表能否直接用于人工河道斷面上？如果比照同類站直接選用系數(shù)，選用值的衡量標(biāo)準(zhǔn)是什么？②計(jì)算水面流速系數(shù)的卡門參數(shù)同水面虛流速和垂線平均流速及水面比降有關(guān)，在沒(méi)有精測(cè)資料的情況下，卡門參數(shù)如何推求？水面比降怎樣確定？現(xiàn)以永春（三）站1999年～2002年實(shí)測(cè)資料分析為例，對(duì)上述問(wèn)題做初步探討。

1 基本情況及發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

1.1 永春（三）站測(cè)驗(yàn)河段基本情況

永春（三）站于1994年遷移到現(xiàn)斷面。1998年建防洪堤，河段順直，河底經(jīng)人工整理比較平整。兩岸為漿砌塊石，斷面呈矩形，河底為河卵石，受沖淤變化小。

1.2 永春（三）站流量測(cè)驗(yàn)情況

本站流速儀測(cè)流斷面寬92.5m，布設(shè)測(cè)速垂線數(shù)10條，每條垂線用一點(diǎn)法測(cè)速，水深測(cè)量采用纜道測(cè)深或套用實(shí)測(cè)大斷面。

1999年～2002年4年施測(cè)的全部流量資料中，有采用水面一點(diǎn)法流量30份，相對(duì)水深0.6的50份，其他為半深及混合法測(cè)速。該站水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)比照參考其他站的情況和《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》給出的參照表，用0.80和0.90，系數(shù)未經(jīng)試驗(yàn)分析。

1.3 流量資料整編中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

水位流量關(guān)系反曲。以現(xiàn)采用的水面流速系數(shù)計(jì)算出的斷面平均流速關(guān)系繪出的水位～流量關(guān)系曲線呈反曲趨勢(shì)，與矩形河道斷面水位流量關(guān)系的實(shí)際情況不符。

水面一點(diǎn)法測(cè)速系數(shù)系統(tǒng)偏小。點(diǎn)繪不同施測(cè)方法的水位～流速關(guān)系，可以看出在中水部分，由于采用水面一點(diǎn)法測(cè)速，使流速明顯偏小，初步分析是水面流速系數(shù)取值不當(dāng)造成的。

2 水面流速系數(shù)的確定

2.1 方法及理論依據(jù)

影響水面流速系數(shù)的因素主要有斷面形狀、河床糙率、水面比降等?！端臏y(cè)驗(yàn)手冊(cè)》給出如下水面流速系數(shù)K1計(jì)算式：

卡門參數(shù)k可通過(guò)實(shí)測(cè)資料按下式計(jì)算：

V0為水面流速，Vm為垂線平均流速。

在水文測(cè)驗(yàn)中，對(duì)于寬淺的河道水流，通常采用的流速分布公式為對(duì)數(shù)曲線型公式。因此，垂線上任意點(diǎn)流速V與垂線平均流速Vm的關(guān)系為：

V=Vm+(V*/k)(1+lnη)

當(dāng)V=Vm時(shí)，(V*/k)(1+lnη)=0。因V*/k不等于零，故（1+lnη）必等于零，此時(shí)η=0.37。水文測(cè)驗(yàn)常采用相對(duì)水深0.6處的流速作為垂線平均流速，其理論根據(jù)就在于此。為此，以相對(duì)水深0.6的水位～流速關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行卡門參數(shù)k的計(jì)算。

2.2 分析步驟

統(tǒng)計(jì)永春（三）站1999年～2002年各流量測(cè)次的水位、流量、流速、面積、測(cè)速時(shí)流速儀的相對(duì)位置等。

將不同方法測(cè)流的水位～流速關(guān)系點(diǎn)據(jù)同繪在一張圖中，點(diǎn)據(jù)分布呈反曲趨勢(shì)。如按不同測(cè)速方法，分別居中定線可繪出三條曲線：從左到右分別為水面、半深、0.6相對(duì)水深的水位～流速關(guān)系。其中半深和0.6相對(duì)位置的水位～流速關(guān)系線基本重合，說(shuō)明現(xiàn)采用的半深系數(shù)0.9合適，而水面流速系數(shù)明顯偏小。

從各個(gè)測(cè)次的計(jì)算結(jié)果可知，卡門系數(shù)為0.68和0.65時(shí)，水面流速系數(shù)均為0.87。

2.3 成果的合理性分析

以水面流速系數(shù)0.87重新計(jì)算各測(cè)次的實(shí)測(cè)垂線平均流速，點(diǎn)繪新的水位～流速關(guān)系線。關(guān)系線基本上是一條上凹型的曲線，已符合矩形河道的斷面平均流速分布線型。因此，初步認(rèn)為所確定的水面系數(shù)0.87是合理的。

3 結(jié)論

3.1 人工河道是指河底經(jīng)人工整治比較平整，河段順直的河道。《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》中天然河道的水面流速K1值表在水流條件良好的河床情況下的取值與本文的分析結(jié)果相符合，可作為類似站先用K1值時(shí)參考。以0.6相對(duì)水深測(cè)速代表垂線平均流速，作為計(jì)算斷面平均流速的標(biāo)準(zhǔn)值，以較為接近天然河流的垂線流速分布的對(duì)數(shù)型曲線公式作為分析的理論依據(jù)，與采用假定水面流速系數(shù)測(cè)速的斷面平均虛流速進(jìn)行比較，尚能分析出符合本站實(shí)際的水面流速系數(shù)。

3.2 卡門公式中，水面流速與斷面平均流速的差值，可先將兩組水位～流速關(guān)系概化成直線或取其切線，再選取兩個(gè)水位的差值，分別計(jì)算出k值。本文分析的計(jì)算結(jié)果表明，卡門參數(shù)差別不大。

3.3 對(duì)河底經(jīng)人工整理比較平整順直的河段，沒(méi)有水面比降資料時(shí)，可以采用河底坡度代替。對(duì)沒(méi)有沖淤變化的站，套用實(shí)測(cè)大斷面面積比較好。