雷 蕾

(河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071000)

南運河暢流期與冰期河道糙率計算及變化規(guī)律分析

雷 蕾

(河北省保定水文水資源勘測局，河北 保定 071000)

河道糙率是反映河流阻力的綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的特征值。天然河道糙率一般由河道各種糙率單元綜合組成。河道糙率是河道工程水力計算中的重要因素，關(guān)系到天然河道輸水能力和行洪標準的確切評價。南運河處于漳衛(wèi)南運河水系的最下游，河道全長309 km，是歷史上京杭大運河的下段，也是引黃、引江南水北調(diào)東線方案的輸水干線。通過對南運河暢流期及冰期糙率進行計算，并對暢流期與冰期糙率變化規(guī)律進行研究。結(jié)果表明，在暢流期，流量不同時，隨著流量的增大，河道糙率逐漸變小。當增大至灘地過水(120 m3/以上)的情況下，河道糙率又有所增大。冰期河道糙率與期暢流期相比，冰蓋下輸水糙率值明顯增大。研究河道暢流期與冰期糙率的變化規(guī)律，對南運河冰期輸水監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。

南運河；糙率；冰期糙率；水流變化

1 南運河概況

1.1 河道基本情況

南運河屬于蜿蜒型道，處于漳衛(wèi)南運河水系的最下游，自四女寺樞紐至十一堡節(jié)制閘，河道全長309 km，是歷史上

京杭大運河的下段，也是引黃、引江南水北調(diào)東線方案的輸水干線。自上至下分成三段，上段是四女寺節(jié)制閘至捷地分洪閘，中段是捷地分洪閘至九宣閘，下段自九宣閘至十一堡。在上段和中段的末尾有捷地減河和馬廠減河可以分洪入海。各段河道技術(shù)指標見表1。

表1 南運河各段技術(shù)指標表

河槽為砂土質(zhì)組成，單式U型斷面，河床多屬粉質(zhì)壤土和砂質(zhì)壤土，河底縱斷起伏不平。岸壁除險工段有砌石或拋石護坡外，亦均屬砂土質(zhì)，左右堤之間多有灘地，有的并有小埝保護，灘地土質(zhì)肥沃，用于種植各種糧食作物和蔬菜。

1.2 資料觀測

南運河先后設(shè)置有四女寺、德縣、李門樓、安陵、桑園、東光、泊鎮(zhèn)、捷地、滄縣、北陳屯、九宣閘等水文站或者水位站，以觀測水位、流量、含沙量等。1958年以前水文年鑒還刊印了德縣、東光、捷地的水面比降和糙率資料，以德縣站計算南運河的輸水量。1958年修建四女寺樞紐，改為以四女寺閘下水文站計算南運河輸水量。1967年開挖子牙新河，在滄縣周官屯建子牙新河穿運樞紐工程，建南運河周官屯節(jié)制閘。除引黃濟津輸水期間設(shè)臨時站觀測水位流量外，未正式設(shè)南運河觀測站。1973年修建安陵和北陳屯樞紐，1975年增設(shè)北陳屯水文站，同時撤銷南運河捷地站水文觀測，1976年增設(shè)安陵水文站。引黃輸水期間，臨時設(shè)立南運河代莊水文站。

1.3 資料來源

1965年南運河河務(wù)管理局實測南運河鐵路橋至九宣閘縱橫斷面圖，1976年南運河管理處實測四女寺至九宣閘縱橫斷面圖，1983年河北水利廳勘測設(shè)計院實測南運河四女寺至九宣閘縱橫斷面圖。水文資料以南運河上四女寺、安陵、代莊、捷地，北陳屯、周官屯、九宣閘實測水位、流量、冰清、含沙量，包括冬季引黃輸水期間的水文資料。

2 暢流期糙率計算

2.1 推算糙率的方法

糙率是反映沿程損失的一個系數(shù)，那么從實測資料中反求，也只能采用沿程損失。當水流成恒定均勻流時，水深、流速沿程不變，水面比降等于能面坡降，能量全系沿程損失，此時可以直接用水面比降代入曼寧公式中，從實測資料中反求糙率。

具體計算是首先根據(jù)1965、1976、1983年南運河實測縱橫斷面資料，按當時具有的水文資料，將南運河分成幾個計算段，選擇與縱橫斷面測量時間相近的水文資料，繪制各站的水位流量關(guān)系曲線，據(jù)此確定各站不同流量的相應(yīng)水位，然后采取試算法，先假定一個糙率值，根據(jù)河道末端不同流量的實測水位，沿著選定的斷面逐一向上推算，直到上一個有實測水位流量資料的水文站止。如果計算所得水位與實測水位不同，則另行假設(shè)糙率，重復(fù)計算，直到推算水位與實測水位基本相等為止，此相符的糙率就是該河段的實際糙率，其他河段依次類推。遇大流量上灘地則按左右灘地和主槽分別計算，灘地糙率按子牙新河設(shè)計和水電部東北勘測設(shè)計院提供的“灘地糙率表”取0.030。

2.2 計算公式

實際計算中用天然河道穩(wěn)定漸變流的基本公式計算，公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中1、2為逆水流方向斷面編號；

Q為設(shè)計流量，m3/s；L為斷面間距，m；ΔH=H2-H1為斷面1、2的水位差，m；V是斷面流速，m/s；

(4)

(5)

A為過水斷面面積，m2；X為濕周，m；ε為局部阻力系數(shù)。

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)1983年實測縱橫斷面，主槽糙率選取0.025，灘地糙率選取0.030。計算成果見表2。

表2 南運河各段不同流量糙率值表

3 冰期綜合糙率計算

3.1 冰期河道阻力的組成

冬季因為氣溫下降，出現(xiàn)冰花，使水流粘聚力增大，同時隨著暗冰的形成，岸壁的摩阻力增大，又占據(jù)部分過水面積，另外流冰和冰花隨水浮動，加強了水流的紊流作用，使水流動能作用有所消減。

河流動力學(xué)中關(guān)于河道阻力的劃分，可以分為床面阻力岸壁阻力和河床形態(tài)阻力(如彎道、斷面縮小與擴大等)，對于多沙河流床面阻力又可分為沙粒阻力和沙波阻力等．現(xiàn)一般計算冰期河道阻力時多簡化為只考慮河床阻力和冰蓋阻力，不劃分沙粒阻力與沙波阻力。阻力計算公式多采用曼寧公式計算：

(6)

式中：n為河道綜合糙率系數(shù)(也稱河道綜合糙率)；R為水力半徑，寬淺河道時就是水深h；v為平均流速；J為能坡。

3.2 河道綜合糙率計算

冰蓋的存在使過流斷面的濕周增加，水力半徑減小。冰蓋和床面的糙率共同決定過流的綜合糙率。理論和應(yīng)用上需要研究綜合糙率、冰蓋糙率、床面糙率和相關(guān)的水力因素之間的定量關(guān)系。一般有兩個主要問題需要解決：(1)冰蓋糙率的確定；(2)已知河床及冰蓋糙率的情況下，計算渠道的綜合糙率。

冰期過流的河道綜臺糙率n可由床面糙率nb和冰蓋糙率ni組成，在封凍河道中假定冰蓋和河床不同周界內(nèi)取其流速等于斷面平均流速，取冰蓋和床面濕周各為總濕周之半，的關(guān)系通常多采用下述表達方式。

(7)

3.3 冰蓋和河床糙率的計算

分析南運河各段實測資料，河床糙率采用暢流斷面河床平均糙率nb,河床平均糙率用下列公式表示：

(8)

在南運河各段河床糙率nb已知的情況下，利用曼寧公式、謝才公式及綜合糙率公式，我們就可以計算某個流量下的具有冰塞和及冰蓋下的糙率ni的計算公式：

(9)

計算結(jié)果表明，在封凍期具有冰塞的冰蓋糙率有明顯的波動現(xiàn)象，這可能是河段封凍后上游繼續(xù)有冰花向下游冰下輸移的結(jié)果。計算成果見表3。

表3 南運河冰期各段不同流量糙率值表

4 不同時期糙率變化規(guī)律分析

4.1 暢流期糙率變化規(guī)律

分析各河段糙率可以看出，各河段河道糙率不同，有一定的差別，只要是由于各河段的比降和河床構(gòu)成有關(guān)，四女寺-捷地比降1/18 536，捷地-九宣閘比降1/26 517四女寺-捷地河道糙率0.022 5，捷地-九宣閘河道糙率0.022 9(50 m3/s)；不同流量情況下，隨著流量的增大，河道糙率逐漸變小。當增大至灘地過水(120 m3/以上)的情況下，河道糙率又有所增大。

4.2 冰期糙率變化規(guī)律

在歷次引黃濟津工程中，南運河始終作為輸水的主干河道，針對南運河進行了專門的冰期測驗觀測，選用南運河捷地-周官屯河段封凍期的綜合糙率進行分析比較。

冬季輸水期相同流量維持時間較短，因此，經(jīng)比較選取南運河捷地-周官屯河段輸水流量50 m3/s時，根據(jù)上下游斷面參數(shù)值反推糙率。經(jīng)計算，綜合糙率平均值為0.037 0。與以上計算安陵到九宣閘平均值0.037 25相吻合，與暢流期河道糙率0.025 0相比，冰蓋下輸水糙率值明顯增大。

冬季輸水過程中，河道糙率隨著流量的增大，冰蓋所占比例減小(南運河非寬淺型河道)，冰期河道綜合糙率逐漸變小，流量從50 m3/s增大到80 m3/s，全段河道糙率則從0.036 2減小到0.033 2，大流量輸水可以減少冰蓋對輸水的影響。說明過流斷面不同水位、流量下的綜合糙率也是一個變值。

4.3 冰蓋對河道糙率的影響

由于冰蓋的存在加大了過水斷面的糙率，對比無冰蓋時的水位、流量，可進一步分析冰蓋對河道過水能力的影響。統(tǒng)計連村、代莊、周官屯站相同流量條件下及相同水位條件下有無冰蓋期水位、流量對比見表4、表5。由表4可知，在過水流量相同條件下連村、代莊站冰蓋下輸水比無冰時水位分別抬升了0.34 m(水深3.41 m)、0.24 m(水深2.20 m)，抬升率分別為11.1%、12.2%。說明封凍期輸水由于冰蓋的存在造成水工建筑物上游河道的水位上漲，影響提防安全。由表5可知，在相同水位條件下連村、代莊、周官屯各站冰蓋下輸水比無冰時流量分別減少11.7、13.8、17.1 m3/s，減少率分別為27%、26%、34%。表4和表5結(jié)果顯示，由于冰蓋的存在，過水斷面糙率加大，相應(yīng)減少過水面積。與河道暢流期相比流速減小，相同水位下過水流量減小或相同流量下水位升高。對河道的冬季輸水將產(chǎn)生不小的影響。

表4 相同流量條件下輸水水位對比表

表5 相同水位條件下輸水流量對比表

5 結(jié)語

河道糙率是反映河流阻力的一個綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個特征值。糙率增大，水流的能量損失大，輸水效率降低。通過對南運河暢流期及冰期糙率進行計算，并對暢流期與冰期糙率變化規(guī)律進行研究，可基本明確，在暢流期流量不同時，隨著流量的增大，河道糙率逐漸變小。當增大至灘地過水(120 m3/以上)的情況下，河道糙率又有所增大。冰期河道糙率與期暢流期相比，冰蓋下輸水糙率值明顯增大。特別是在封凍期由于水流受冰蓋的束縛，糙率突然加大，在河床和冰蓋綜合糙率的影響下，水流的流速、水位、流量與河道暢流期相比將發(fā)生很大的變化。輸水河流形成冰蓋后,由于冰蓋底面阻水作用,使流速沿水深分布規(guī)律發(fā)生變化,斷面平均流速減少,根據(jù)各監(jiān)測斷面實測結(jié)果，形成冰蓋前,河流水面位置流速最大, 形成冰蓋后,一般為0.5倍水深位置流速最大。研究河道暢流期與冰期糙率的變化規(guī)律，對南運河冰期輸水監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。

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2017-04-06

雷蕾(1990-)，男，河北滄州人，助理工程師，主要從事水利水電工程方面的工作。

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