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        黑龍江洛古河站冰期流量改正系數(shù)分析

        2010-06-08 04:37:20司國佐肖迪芳夏仝升廖厚初
        黑龍江水利科技 2010年4期
        關(guān)鍵詞:糙率冰蓋河床

        司國佐,肖迪芳,夏仝升,廖厚初

        (1.大興安嶺水文局,黑龍江加格達(dá)奇 165000,2.黑河水文局,黑龍江 黑河 164300;3.哈爾濱水文局,哈爾濱 150001)

        1 概述

        洛古河水文站位于黑龍江省最北處的漠河縣,流域面積37萬km2。該站氣候嚴(yán)寒,水情冰情特性突出,從初冰至無冰計為205 d,平均封凍期198 d,秋季流凌期為15 d,春季流凌期為14 d,最大冰厚平均為1.37 m,極大冰厚1.93 m。該站位于南北流向的額爾古訥河、石勒喀河匯合口處,解凍期多出現(xiàn)倒開江,冰壩凌汛極為頻繁和突出,冰壩發(fā)生概率在80%以上,40%以上的年最高水位出現(xiàn)在春季凌汛期。由于倒開江和冰壩凌汛,使流凌和水位、流量變化極其不連續(xù)和穩(wěn)定,冰期流量改正系數(shù)就更加復(fù)雜化。

        通常,在流量資料整編中,多采用流量改正系數(shù)推求流量系列資料。改正系數(shù)K即是通過冰期實(shí)測水位、流量過程,并與無凍期相應(yīng)水位流量關(guān)系下的流量之比推求。顯然改正系數(shù)決定于氣候條件下的流冰密度、冰蓋厚度和斷面形狀特性下的過流能力。在秋季K值為1→0(斷流)變化,而春季K值為0(斷流)→1變化。K值的計算最難以獲得準(zhǔn)確值,主要是因為春秋流凌期,難以測到準(zhǔn)確的流量和流凌密度、冰蓋厚度。根據(jù)洛古河站1988至2003年實(shí)測資料,對K值綜合分析采用的方法有水位(冰厚)相關(guān)法、歷時法、直接水位(冰厚)流量相關(guān)法等。

        2 冰期斷面水情冰情特性

        洛古河冰期斷面寬450 m,水位變幅6 m。歷史上極大洪水流量19 800 m3/s(1958年7月25~28),冬季最小流量僅為1.40(1905年)(資料來自俄羅斯年鑒),而我國自己洛古河水文站實(shí)測最小流量為0.603 m3/s(2003年3月10日)最大和最小流量相差19 799 m3/s,即相差33 000倍。這在世界河流中極為罕見,在2003年實(shí)測的最小流量斷面中,過水?dāng)嗝婷娣e僅3.68 m2,平均流速0.16 m/s,水面寬40 m,平均水深0.09 m,可見冰面基本貼近河床。見圖1。

        圖1 洛古河封凍期斷面水位變幅圖

        圖2 洛古河封凍后水位變化圖

        由于氣候嚴(yán)寒,河流流凌歷時短,封凍后,冰蓋增長迅速,過水?dāng)嗝鏈p小,冰蓋糙率增大,流速和過水能力減小,造成冰蓋壅水,使封凍后水位流量有急劇的回升過程,這種過程一般持續(xù)15~30 d。如圖2 a線所示。封凍后水位上漲,只是冰蓋阻水和糙率增大所至,而流量過程并無明顯增大,如流量過程圖2 b線所示。

        該站冰情的另一個特點(diǎn),是最大冰厚受到最低水位的限制。從洛古河冬季負(fù)積溫分析,該站負(fù)氣溫每年可使冰厚增長到1.5~2.0 m以上。但由于冰蓋下沒有足夠的水深,冰蓋增厚到接近河床時,冰蓋從上導(dǎo)入負(fù)熱量與河床輻射正熱量相持平,影響冰厚增加。采用水位與最大冰厚的關(guān)系,即反映了這種情況。如圖3所示。其中a線為封江水位—冰厚關(guān)系,b線為最低水位—冰厚關(guān)系。即冰厚與水位成正相關(guān)。

        圖3 洛古河站最大冰厚與水位(深)的關(guān)系圖

        3 改正系數(shù)K的物理意義

        K值是反映河道冰蓋下流量Qc與明流時流量Qo之比,為斷面過流能力系數(shù),即:

        式中:Qc=VcWc,Qo=VoWo,式中 VcWc,VoWo分別為冰期和暢流期斷面平均流速和面積,代入(1)式則為:

        對于暢流期Vo可用謝才公式與曼寧公式表示為:

        式中:Ro為水力半徑,Χo為濕周,n為糙率,J為比oo降。暢流時,流量可表示為:

        用平均水深Hcp表示Ro時,則:

        對于冰期,用流速Vc表示時,即:

        式中:nc為糙率,Rc為水力半徑,Jc為水面比降。其中封凍期糙率nc是由冰底糙率和河床糙率綜合而成,一般按河床與冰底所占濕周的比例加權(quán)平均求得,即:

        式中:no、nc分別為河床與冰底糙率,Χo、Χc分別為河床與冰面濕周長。

        在冰期,由于冰蓋或冰花占去一部分過流面積。冰的密度ρ冰=0.917 g/cm3,近似取0.9 g/cm3,所以冰蓋下水浸冰厚占冰厚h的十分之九。因此封凍期有效過水面積為:

        封凍后水流為管流,其濕周Χc≈2B,故封凍期水力半徑為:

        將(9)式代入(6)式,得到封河后冰下平均流速為:

        冰下過流量Qc為:

        將式(5)、(11)代入(1)式,則

        經(jīng)實(shí)際觀測資料分析,封凍前后水面比降變化不大,令Jc=Jo,則:

        以上為分析封凍時K值的物理意義,主要與斷面特性和冰情水情特性有關(guān)。上式中因做了簡化和近似估算,在冰厚h=0時K不等于1,封凍斷流時,亦不等于0。在流凌過程中,因冰水條件極為復(fù)雜,多采用實(shí)測值、近似估算或經(jīng)驗延長。

        4 K值的綜合分析

        4.1 冬季實(shí)測K值的演變過程

        圖4是洛古河站1991~2003年實(shí)測資料計算的K值變化過程。由圖4可見,封凍后K值由大到小逐于穩(wěn)定,變幅減小,收縮于0.1以下,這與斷面結(jié)冰量大,過水面積減小有關(guān),并與冰厚存在著反比例關(guān)系。

        4.2 K值與水位關(guān)系

        根據(jù)(13)式,K值與水深冰厚的關(guān)系,建立的水位冰厚與K值的關(guān)系如圖5。當(dāng)冰厚在1.20 m以下時,K值變幅較大;冰厚>1.40 m時,K值收縮于0.15以內(nèi)。說明冰厚>1.60 m情況下,K值與水深關(guān)系更為密切。冰厚>1.60 m時,底冰貼近河床;K值 <0.15,冰厚和 K值趨勢穩(wěn)定少變。

        圖4 洛古河封凍期K值變化過程圖

        圖5 洛古河冬季水位流量改正關(guān)系圖

        4.3 春秋流凌期K值的綜合

        該站秋季流凌期為15 d,春季流凌期為19 d。根據(jù)資料整編成果,推求綜合K值過程如圖6。其中a線為春季解凍流凌過程,b線為秋季流凌過程。其方法是將逐年K值變化過程繪于同一坐標(biāo)紙上,固定K值縱坐標(biāo),而左右移動橫向時間坐標(biāo),使逐年點(diǎn)群達(dá)到最佳均值化組合,繪標(biāo)準(zhǔn)(平均)線。由此可借助水位流量關(guān)系推求冬季流量。即采用春季秋季流凌時期某歷時的平均K值。

        4.4 直接建立冰期水位流量關(guān)系

        根據(jù)(12)式,直接建立水位(冰厚)流量關(guān)系如圖7所示。圖中水位反映了(12)式中的水深Hcp,冰厚則反映了斷面阻水條件,兩者反映了K值變化。用以推求流量具有一定的精度,但需要掌握冰厚變化,也可采用累積負(fù)氣溫代替冰厚建立相關(guān)圖。

        圖6 洛古河春秋K值變化綜合圖

        圖7 洛古河冬季水位(冰厚)流量關(guān)系圖

        5 結(jié)語

        冰期流量改正系數(shù)是反映斷面形態(tài)、水情和冰情特征的綜合系數(shù),主要決定水深、冰面面積占過流斷面的比重。分析和掌握K值的變化規(guī)律,對了解本站水文特性,提高測驗和資料整編成果質(zhì)量具有重要意義,而且可為無實(shí)測流量條件下,借助水位和綜合的K值過程線推求流量。本文分析中只采用了冬季最大冰厚一組資料,顯然以上短缺資料會影響到分析成果的精度和可靠性,因此還有待進(jìn)一步增加影響因素,改進(jìn)和完善計算方法,保證資料的完整性和可靠性。

        [1]孫肇初.黃河下游凌汛[M].北京:科學(xué)出版社,1979.

        [2]水利電力部水利司.水文測驗手冊[R].北京:水利出版社,1980.

        [3]張耀先,丁新求.水力學(xué)[M].鄭州:黃河水利出版社,2002.

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