楊玉閣,陳祖輝,趙慶生
(遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局,遼寧 鐵嶺 112000)
在水文測驗中,測驗設(shè)施的抗洪標準受地理位置及經(jīng)濟條件限制,一般不高,只能達到一般洪水的測驗要求。常規(guī)的測驗方法為流速儀法和浮標法,當超標準洪水來臨時,常規(guī)的測驗方法已完成不了搶測洪峰的要求,利用實際液體總流的能量方程可以解決超標準洪水測驗問題。根據(jù)實際液體總流的能量方程理論去解決比降~面積法公式中的參數(shù)——動能校正系數(shù)α。
實際液體總流的動能為:
式中:V——斷面平均流速;Q——流量;α——動能校正系數(shù);A——斷面面積;△u——各點流速與平均流速的差值;g——重力加速度。
對于天然河道液體總流的能量方程為:
由式(2)推導出運用于天然河道的流量計算公式:
式中:Q——河道流量;I——水面比降;K——平均輸水率;α——動能校正系數(shù);ξ——沿程收縮或擴散系數(shù);L——上、下斷面間距;A上,A下——上、下斷面面積;g——重力加速度。
公式中的動能校正系數(shù)α,在水力學中給出的范圍為1.05~1.10,這也是規(guī)范中給出的范圍。在工作實踐中發(fā)現(xiàn),天然河道的動能校正系數(shù)遠遠超過這一范圍。特別是在洪水漫灘時,流速分布極不均勻,水流的流速中泓大,岸邊小,造成水流的實際動能遠大于用平均流速計算的動能,所以實際的動能校正系數(shù)要大。
動能校正系數(shù)的計算采用水文測驗規(guī)范中的公式計算:
式中:vm—斷面上最大測點流速,m/s;v—斷面平均流速,m/s。
根據(jù)某站的歷史流量資料,動能校正系數(shù)的計算見表1。根據(jù)表中數(shù)據(jù)點繪水位與動能校正系數(shù)α關(guān)系圖(見圖1)。
表1 某站動能校正系數(shù)計算成果表
通過關(guān)系圖可知:動能校正系數(shù)大于1.1,隨著水位的上升,逐漸增大;當接近漫灘時,動能校正系數(shù)突然變大;超過灘地水位時,開始減少。所以,天然河道的動能校正系數(shù)大于1.1,受斷面形狀的影響較大。窄深河道變化范圍小,寬淺河道變化范圍大,完全符合天然河道流速的分布特點。
圖1 動能校正系數(shù)
水位H=1.22 m,平均輸水率K=22 857,水位差△H=0.20 m,上、下斷面間距L=150 m,上斷面面積 A上=440 m2,下斷面面積 A下=383 m2,沿程收縮系數(shù)ξ=0,重力加速度g=9.81 m/s2。當動能校正系數(shù)α取1.10時:
當動能校正系數(shù)α取1.82時:
由于動能校正系數(shù)采用的不同,計算出的流量結(jié)果就不同,誤差接近8%,已超出流量測驗精度的要求,特別是在特大洪水的測報工作中,這個誤差是相當危險的。