李洪亮

（1.中國海洋大學，山東青島 266000；2.德州市李家岸灌區(qū)管理局，山東德州 253014）

輸水渠道糙率推求的一種新方法

李洪亮1，2

（1.中國海洋大學，山東青島 266000；2.德州市李家岸灌區(qū)管理局，山東德州 253014）

在渠道規(guī)劃設計中渠道糙率的推求有多種方法，本文介紹一種基于灌區(qū)渠道信息化數(shù)據(jù)資料推求糙率的新方法。該方法在李家岸引黃灌區(qū)總干渠水能研究中進行了實踐和驗證。

引黃灌區(qū)；渠道；糙率推求

糙率系數(shù)作為水力計算中一個至關重要的參數(shù),對其變化規(guī)律及取值范圍的研究是進行各種水利工程設計、施工、運行和管理工作的重要依據(jù)。糙率值一般由實驗數(shù)據(jù)測得，使用時可查表選用。在河流或渠道已有流速資料的情況下，也可以由謝才——曼寧公式反求糙率值，與查表所得的值相互驗證而加以選定。

李家岸總干渠為人工開挖的規(guī)則渠道，以前在規(guī)劃設計中糙率取綜合糙率，按土渠糙率0.022 5和襯砌坡糙率0.017加權平均得到。對土渠和混凝土板邊坡糙率沒有進行率定，根據(jù)經(jīng)驗取值，這樣容易降低計算精度。

1 糙率推求

1.1 基礎資料搜集

德州市李家岸灌區(qū)2010年在總干渠5個測水站設水情管理系統(tǒng)，在李家岸、譚屯、崔許、王寶、宮家、牛角店站所設立了水位采集點，采用非接觸式雷達水位計采集總干渠水位，自動采集時間間隔為10 s，數(shù)據(jù)自動保存在數(shù)據(jù)庫。

1.2 計算原理

各測站之間的距離是固定的，李家岸、崔許、宮家、牛角店各站點間的長度分別為：12.617 km、19.8 km、14.898 km。依托灌區(qū)信息化水位變化監(jiān)測系統(tǒng)，推求水流的傳播時間Δt，推求出平均流速V，從而推求出渠道流量。

1.3 計算方法

通過近一年的運行和完善，至2012-09，水位采集系統(tǒng)日趨完善成熟。通過對相關測站的水位數(shù)據(jù)庫資料進行整理，繪制水位時間過程線，將上下游測站的水位過程線進行趨勢相關法對比（趨勢線擬合法），分析出測站間的水流傳播時間Δt，通過水位計算斷面面積，進而計算出流量。

由于采集信息是在沿途各口門嚴格關閉的情況下，灌區(qū)自動化系統(tǒng)運行時間不長，錄入的有效數(shù)據(jù)較少，目前尚沒有不同流量的水位流量關系資料，但可基本滿足本灌區(qū)糙率推求的需求。依據(jù)灌區(qū)信息化數(shù)據(jù)庫資料以及推求出的流速、流量數(shù)據(jù)，根據(jù)明渠均勻流公式反求渠底糙率和邊坡糙率，后計算不同水位的綜合糙率。

2 糙率的率定

2.1 測站選擇

根據(jù)灌區(qū)總干渠斷面實際情況，渠首至崔許閘段為輸沙渠段，邊坡和渠底均未襯砌。崔許以下段邊坡采用混凝土板襯砌，渠底未襯砌。因此，選取渠首、崔許段、宮家、牛角店4個測站的數(shù)據(jù)庫。

2.2 水位資料的提取與整理

根據(jù)當時主要向牛角店以下寧津和樂陵水庫供水的實際情況，此時引水口門全部關閉。為提高計算精度，對渠首至牛角店間的引水口門進行了全面排查，對存在漏水的4個口門進行了封堵，測驗段流量損失只有滲漏和蒸發(fā)，率定的糙率應是最切合實際的。根據(jù)目前自動化系統(tǒng)存貯的信息，選取2011-09-30～2011-11-06的水位資料，以上述時間來水歷程作為基礎資料，通過計算機程序提取數(shù)據(jù)和各閘測站的水位過程線。以譚屯至崔許為例進行分析計算。

2011年10-11月譚屯站水位過程線

2011年10-11月崔許站水位過程線

2.3 水流傳播時間Δt推求

計算Δt可通過兩種方法。一種是過程線平移法：盡管相關測站同一時間水位變化量不同，但如果將下一測站的時間提前一定的范圍，變化趨勢線相對平行，提前的時間即是水流傳播時間Δt。因此，將水位過程線通過平移法，趨勢相同時，特別是變化凹凸點相對應時，水平平移座標變化量即為對應特征水位或流量的Δt。一種是數(shù)據(jù)分析法，通過數(shù)據(jù)分析找到變化趨勢對應點，通過對應點的時間坐標差求得Δt。根據(jù)各站水位過程線可知各相關站點的水位隨時間的變化趨勢大體相關。實踐中采取兩種方法結合的辦法，即通過過程線平移法找到密切相關的時間段，再從中提取相關數(shù)據(jù)。

通過譚屯至崔許相關段水位過程圖，調(diào)取兩站2011年10月10日8點至15日8點的水位數(shù)據(jù)，通過電子表格求極值法，取得譚屯站水位最大值（波峰）24.06 m，出現(xiàn)時間為15日13∶08∶39；水位最小值（波谷）24.02 m，出現(xiàn)時間為15日10∶05∶19；崔許站水位最大值（波峰）23.24 m，出現(xiàn)時間為15日18∶15∶43；水位最小值（波谷）23.20 m，出現(xiàn)時間為15日15∶21∶01；譚屯站波峰傳到崔許時間為5 h 07 min 04 s，波谷傳播時間為5 h 15 min 42 s。

兩測站之間距離是11.624 km，水流波峰傳播時間Δt=18 424 s，波谷傳播時間Δt=18 942 s。

2.4 糙率推求

根據(jù)以上波峰和波谷的水流傳播時間，利用下式得到不同水位的平均流速。

V=L/Δt

式中：V為流速，m/s；L為兩測站間距，m；Δt為兩測站出現(xiàn)相應波峰或波谷的時間差，s。

可得兩測站間的水位與平均流速建立對應關系，同時計算此水位下的斷面面積，得平均流量，根據(jù)流量、流速、比降、底寬、邊坡等條件反求得不同水位的糙率，根據(jù)從低到高建立水位糙率關系。依據(jù)下式通過假設邊坡和渠底糙率試算N綜。

N綜＝（L底×n底+L邊×n邊）/（L底+L邊）

式中：L底、L邊為計算斷面渠底、邊坡（兩邊坡之和）長度，m；n底、n邊為計算斷面渠底、邊坡假定糙率；N綜為計算綜合糙率，無量綱。

通過假設邊坡和渠底糙率試算N綜，計算結果不可能與反求糙率全部擬合，對反求糙率與試算糙率的比值進行一致性檢驗，采用格羅布斯準則進行。當g(n)＜g0（n，0.05）時，數(shù)據(jù)具有一致性，因此，可取此時假設渠底和邊坡糙率值作為已知糙率，由綜合糙率計算公式可得不同水位的綜合糙率。

取兩測站中間斷面樁號6+864，則高水位為23.65 m，低水位為23.61 m，根據(jù)斷面因素表取得樁號6+864處渠底高程為21.57 m，則高、低水位時的水深分別為2.08和2.04 m。通過流速計算流量，然后反求綜合糙率N，計算結果詳見表1。本段均為土坡，實驗值需驗證數(shù)據(jù)一致性。計算該組數(shù)據(jù)均方差S為0.000 3，單差最大為0.000 46，g(6)=1.54＜g0（6，0.05）=1.82，計算結果詳見表2，數(shù)據(jù)具有一致性。因此，輸沙渠段糙率取值為0.025，總干渠未護底段的渠底糙率亦取此值。

3 結語

本文提供的方法雖受各種輸水條件限制，不一定是最合理的，但基于信息自動采集，具有隨用隨取的便利。本方法只是一個初步的探索，以后還要不斷修正完善。

TV131

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1009-6159（2014）-10-0020-02

2014-06-17

李洪亮（1970—），男，高級工程師