徐 偉

(新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

1 問題的提出

河流糙率是反映河段形態(tài)、河床面粗糙程度影響水流流態(tài)的阻力系數(shù)，對于天然河段而言無均勻流條件，所以糙率分析通常以天然河道單一形態(tài)河段為基本點(diǎn)。一般水文站河段因近似滿足均勻流公式，所計(jì)算出的單斷面糙率結(jié)果精度較差，不具代表性。根據(jù)相關(guān)研究，由于不同河段實(shí)際條件并不相同，在分析和計(jì)算天然河道河段糙率時(shí)，必須將河道平面形態(tài)、斷面幾何形式等均考慮其中。就斷面幾何形態(tài)這個(gè)因素而言，其不只作用于一個(gè)斷面，而是在一個(gè)相當(dāng)長的河段內(nèi)影響河道糙率。與此同時(shí)，從單河段出發(fā)對所確定的斷面流速不均勻系數(shù)及局部損失系數(shù)進(jìn)行比較，也表明在天然河道沿程損失規(guī)律分析的過程中必須要考慮河道平面形態(tài)和斷面幾何形式等因素。此外，采用曼寧公式進(jìn)行分析時(shí)，其中的水力半徑R(通常用平均水深代替)、河道比降I、斷面水流流速V等參數(shù)的變化不僅受河床粗糙程度的影響，還與河道平面形態(tài)、斷面幾何形式等有關(guān)。據(jù)此，在進(jìn)行天然河道糙率確定時(shí)必須全面定義，通過探求河道糙率變動趨勢規(guī)律選擇適應(yīng)的糙率計(jì)算公式，以增強(qiáng)糙率取值的代表性和應(yīng)用方面的精度價(jià)值。

額爾齊斯河河源區(qū)卡依爾特斯河流域位于額爾齊斯河正源以西，為額河一級支流，流域在阿爾泰山中段以南，且呈南低北高態(tài)勢，流域海拔最高3851.2m，最低為1416.8m，流域集水面積2534.6km2。卡依爾特斯河流主要為沙壤土質(zhì)，土壤層分布較淺，且地表植被覆蓋率較高，陽坡主要為灌木叢和草地，陰坡則為森林。流域內(nèi)冬季最低溫度可低至-49.5℃，且11月-次年4月期間流域?yàn)檠┘?，歷年最大積雪深度可達(dá)1.2m及以上。流域內(nèi)洪水過程通常出現(xiàn)在5-7月，其中6月徑流量最大；10月-次年4月期間流域主要處于枯水期。近年來，在全球氣候變暖、人類活動等因素的綜合影響下，流域內(nèi)冰川積雪消融過程明顯提前，尤其是5月份徑流量呈明顯增大趨勢。卡依爾特斯河流域庫威國家基本水文站是中科院寒區(qū)旱區(qū)與工程研究所于2011年8月所建立的積雪-凍土-水文綜合觀測場站，主要觀測項(xiàng)目包括溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降水等，其完善的水文要素觀測體系為文章分析提供了充足的數(shù)據(jù)資料。

2 糙率計(jì)算方法

水力學(xué)將水流分為穩(wěn)定流和不穩(wěn)定流等情況，穩(wěn)定流又包括均勻流和非均勻流兩種。結(jié)合庫威水文站歷年水文觀測資料，其歷年洪峰峰頂水位-流量關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的單一曲線形態(tài)，故可將其洪峰峰頂持續(xù)時(shí)間內(nèi)水位近似視為平穩(wěn)狀態(tài)，即為穩(wěn)定流，從而進(jìn)行流域均勻流和非均勻流兩種流態(tài)下河道斷面糙率的分析。

河道單斷面糙率值按下式確定：

(1)

不考慮局部損失的河段糙率值按下式確定：

(2)

考慮局部損失的河段糙率值按下式確定：

(3)

3 糙率規(guī)律及精度分析

河段及斷面糙率是比降-面積法推流過程中結(jié)果精確度的控制性參數(shù)，在具體分析中，糙率取值之差往往會引起4.0%甚至更大的誤差，而無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用過程中對糙率精度的要求，為保證糙率取值的精確度，文章必須進(jìn)行河段糙率變動趨勢規(guī)律的分析。通過對庫威水文站2011年8月建站觀測以來-2020年年底水文資料的分析，糙率均受到河床粗糙程度、河道平面形態(tài)、岸壁特性、斷面幾何形式等多因素的綜合作用，且對于不同河道和斷面各類因素主次作用不同，文章取測次較多的單河段水文資料并采用式(1)-(3)進(jìn)行河段水深均值、寬深比、比降、糙率等的計(jì)算(結(jié)果見表1)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行上述因素影響河段糙率程度的分析。

表1 庫威水文站測次較多的單河段糙率計(jì)算結(jié)果

表2 庫威水文站定線法對比誤差

根據(jù)以上分析，單斷面糙率和根據(jù)河段特性所求得的糙率存在一定程度的誤差，且單斷面計(jì)算僅適用于分析河段為均勻流的情況，對于非均勻流河段則無法通過單斷面結(jié)果予以反映，應(yīng)根據(jù)河段特性進(jìn)行糙率計(jì)算。可見，水文計(jì)算中常采用的單斷面糙率值的計(jì)算精度有待商榷，對于順直且無明顯流態(tài)變化的天然河段是否考慮局部損失的糙率值并無多大差異，其局部損失可以忽略不計(jì)，但是，對于因彎道、深潭等較多、局部損失較大的河段，必須考慮局部損失。

4 各參算要素測驗(yàn)誤差的消除及新糙率推求

4.1 水面比降測驗(yàn)誤差的定線消除

對于邊界條件穩(wěn)定的天然河道同水位的水面比降為常數(shù)，但因?qū)崪y比降資料缺乏精度，其點(diǎn)據(jù)分布往往較為散亂，為此，文章點(diǎn)繪水位-比降關(guān)系曲線(見圖1)并通過常規(guī)方法定線以消除比降觀測結(jié)果的隨機(jī)誤差，并用消除測驗(yàn)誤差后的水面比降(表3)替代實(shí)測比降值，避免糙率計(jì)算過程中比降資料誤差的傳遞[2]。

圖1 庫威水文站實(shí)測水位-比降關(guān)系曲線

4.2 流速、面積及水面寬測驗(yàn)誤差的定線消除

根據(jù)相關(guān)結(jié)果，天然河道具有較好的水位-流速關(guān)系，考慮到庫威水文站河床穩(wěn)定性好，歷年水文資料所顯示的沖淤變化并不大，根據(jù)所點(diǎn)繪的水位-面積、水位-水面寬等關(guān)系曲線(圖2-圖4)發(fā)現(xiàn)，其線性關(guān)系較好。同樣采用常規(guī)方法定線以消除觀測結(jié)果隨機(jī)誤差后的流速、面積、水面寬值見表3。

圖2 庫威水文站實(shí)測水位-面積關(guān)系曲線

圖3 庫威水文站實(shí)測水位-流速關(guān)系曲線

圖4 庫威水文站實(shí)測水位-水面寬關(guān)系曲線

4.3 新糙率的推求

將通過常規(guī)方法定線以消除隨機(jī)測驗(yàn)誤差后的各參算要素取值帶入曼寧公式可求得消除測驗(yàn)誤差后的新糙率，結(jié)果見表3，新糙率取值與原糙率誤差完全滿足水文規(guī)范中比降-面積法所推算糙率精度要求[3]。

表3 各參算要素測驗(yàn)誤差的消除及新糙率推求

5 結(jié) 論

由文章分析結(jié)果表明，在諸多客觀因素的影響下，天然河流比降觀測結(jié)果精度不高且不具代表性，主要原因在于一般水文站河段比降段長度不夠，影響比降精度，且在非穩(wěn)定流情況下進(jìn)行比降觀測，會因觀測時(shí)間和方法方面的差異而引發(fā)比降觀測結(jié)果的較大誤差?；诖宋恼峦ㄟ^常規(guī)方法定線進(jìn)行了各參算要素測驗(yàn)誤差的消除及新糙率推求，結(jié)果表明，比降-面積法具有較強(qiáng)的試用價(jià)值，且通過文章所提出的消除測驗(yàn)誤差的方法能顯著提升比降-面積法的應(yīng)用精度和實(shí)用價(jià)值。