謝志鋒

(廣東省水文局茂名水文分局，廣東 茂名 525000)

0 前 言

目前河道的糙率得來常用的途徑有兩個，一是曼寧公式法，二是采用“查表法”。但以上兩種方法各有其缺點。糙率與河道水力因素之間關系目前難以定量研究，而受各種因素影響的糙率在河道中的最終反饋就是改變流速的大小。文章將注重著眼于糙率與流速的關系，利用流量測驗的現(xiàn)代化設備M9實測流量數據量大、實測流速垂線多的特點，在無水面比降資料的前提下，把流量測驗與糙率計算結合，定量分析和計算河道的糙率。

1 糙率及計算公式

1.1 糙率

糙率n又稱粗糙系數，在水流運動過程中直接影響沿程能量損失的大小，是綜合反映管渠壁面粗糙情況對水流影響的一個系數。

從實測資料中來分析糙率，應采用沿程損失反求的途徑。即在恒定非均勻流條件下，要扣除局部水頭損失；在非恒定流中，還應考慮加速比降的影響。此外，對于河段為復式斷面，還應劃分主槽、灘地分別分析糙率。

糙率分析計算方法原則上僅能用于較穩(wěn)定的河槽。對于河槽不穩(wěn)定的河流，河流阻力常受水流與河槽交互作用的影響，分析計算的糙率是近似成果，誤差較大，要慎重使用。目前河道的糙率的分析有兩種途徑：其一是根據實測的流量、比降資料分析。缺點是必須有比降資料，且計算中引入了比降觀測誤差等，使計算結果的合理性存在不確定性。其二在無流量觀測時，常采用“查表法”選用河道糙率。優(yōu)點是用“查表法“確定糙率方便快捷。缺點是各類各樣的表格繁多，難以取舍；這些表格均是定性描述、綜合歸納、分類取值，則會常因人而異，充斥著主觀任意性和經驗性，成果難以保障。

1.2 糙率分析要求

糙率分析應滿足以下要求。

1)實測流量同時有同步觀測水面比降，需分析其成果的測驗精度、可靠性和水面比降合理性。

2)有實測流量資料，并采用曼寧公式反算糙率時，應對水面比降作流速水頭項的校正。對斷面沖淤嚴重或溢流、分洪、潰口的測流資料，應予剔除。

3)當灘地水面寬度占主槽水面寬度的1/2及以上的嚴重漫灘，灘地與主槽水深相差懸殊時，宜按主槽、灘地分別計算糙率。

4)分析不同水位下洪水特性的糙率，應有30～50個測點。以峰、谷及水位平穩(wěn)期各測點的糙率與平均水力半徑或斷面平均水深或水位建立關系(建立的關系曲線稱糙率曲線)，并繪制非恒定流的測點，檢查其分布趨勢及合理性后，進行綜合定線。當滿足相關規(guī)范要求時可以定成單一線，并經過與各種情況的實測資料校驗后可正式應用。

1.3 糙率計算一般規(guī)定

糙率計算所用公式，原則上只適用于水位流量關系為單一曲線，或只受漲落率影響的測站。水流平穩(wěn)期和峰頂，用恒定非均勻流公式；洪水的漲、落過程，用非恒定流公式。但在非恒定流中，如加速比降占水面比降的百分比值很小時，也可不計加速比降，如以下兩種情況。①如水位流量關系為單一線，不計加速比降。②如水位流量關系受漲落率影響為繩套線，其洪水過程中加速比降占相應水面比降的百分比最大值≤5%時，加速比降可忽略不計。

1.4 流速比糙率公式

水流在天然河道中大多充分紊動，河道邊界的粗糙程度普遍很大。紊流狀態(tài)的水流，引起脈動現(xiàn)象的主要作用力是紊流附加切應力。紊流附加切應力與水流邊界的粗糙程度密切相關。邊界越粗糙，附加切應力越大，脈動越厲害。

在測流斷面基本上滿足穩(wěn)定均勻流的條件下，假定垂線流速呈對數分布，紊動水流任意垂線上流速滿足一定的分布規(guī)律。利用相對水深0.2和0.8處的流速比來作為垂線的流速比系數，可推出河道的無比降系數的流速比糙率公式為：

(1)

(2)

采用上述公式計算河道糙率n，只需求得測深垂線上相對水深0.2和0.8處的測點流速即可，省略了比降的觀測，大大增加便利性[1]。

2 M9垂線流速的處理

M9流速篩選軟件最多可按五點法輸出相對水深0.0、0.2、0.6、0.8及1.0處的測點流速。公式(2)是采用測流垂線相對水深0.2和0.8處流速的比值作為垂線流速比而推導出的糙率計算公式。按照原理，可以用垂線上任意2點的流速比值作為垂線流速比系數，M9流速篩選軟件可勾選輸出五點法的任意2點的流速，極大拓展了流速比糙率公式的數據選用范圍。例如某個斷面的部分垂線相對水深0.8處的流速由于垂線水深較淺或其他問題無實測數據或數據不理想，可以改為選用測流垂線相對水深0.2和0.6處流速的比值作為垂線流速比等。

下面以M9流速篩選垂線相對水深0.2和0.8處的流速為例，說明如何運用M9實測流量數據來計算斷面平均流速比。

步驟一：通過M9測流軟件“RiverSurveyor Live ”選擇后綴名為*.riv的某測次的流量數據文件(可有多個半測回)，設置航跡參考、水深參考及坐標系統(tǒng)等相關參數，如航跡參考使用GGA或者VTG模式還應設置艏向校正和GPS補償，使某測次數據的各半測回誤差等滿足規(guī)范要求。同步輸出所有半測回流量的ASCII格式文件，此文件格式可以查看各條垂線中的各個剖面流速流向。

步驟二：在軟件提供的測量成果匯總表中查得面積A和水面寬B，則平均水深為A/B。利用圖1的M9流速篩選軟件，逐次選取所有半測回流量的ASCII格式文件中后綴名為*.vel的數據文件，“輸出水深個數”選“2”即可輸出EXCEL數據格式的相對水深0.2和0.8處測點流速V0.2和V0.8值。

步驟三：每個半測回的某一垂線相對水深0.2和0.8處測點流速V0.2/V0.8即為某一垂線的流速比系數。所有的垂線流速比系數平均可得每個半測回的Kv。某測次所有半測回的Kv平均即得某流量測次的Kv值。

3 實測資料檢驗

為檢驗公式(2)檢驗其可用程度和實用價值。文章選擇了平原丘陵區(qū)較大流域和平原區(qū)灌溉干渠的部分M9流量實測資料來分析公式的合理性和適用性。

3.1 河流概況

1)鑒江發(fā)源于廣東省信宜市東鎮(zhèn)鎮(zhèn)莊垌村虎豹坑，由北向南流經信宜市、高州市、化州市、吳川市四縣市至廣東省湛江市坡頭區(qū)乾塘鎮(zhèn)沙城村注入南海。鑒江流域總面積6914km2(扣除袂花江)，干流全長231km，總落差406m，平均坡降0.398‰。多年平均年降水量1812mm，多年平均年徑流深975mm，在茂名市境內的流域面積為5576km2，約占全流域的80.6%，上游廣西省境內的集雨面積800km2，下游湛江市吳川市集雨面積538km2。

鑒江流域支流眾多，其中集雨面積>100km2的一級支流有：小水河、北界河、大井河、南塘河、曹江、沙田河、羅江、塘綴河等；二級支流主要有：黃塘水、云爐河、新垌河、排亭水、播揚河、平定水、中垌水、官橋河、石灣河等。

2)南盛攔河壩是鑒江干流梯級開發(fā)的第二級攔河樞紐，是一宗通過壅高鑒江上游天然來水及高州水庫放水調節(jié)為主的大型水利工程，主要供茂名石化公司及茂名熱電廠工業(yè)用水、茂名市區(qū)其他工業(yè)及生活用水，并灌溉化州市、茂南區(qū)、吳川市等地的農田。攔河壩上游數十米處的東堤岸開設有排水口，堤岸外面并排開辟有兩條河道。北河道為工業(yè)渠，水源主要供給茂名市區(qū)、郊區(qū)工業(yè)、農業(yè)及生活用，而南河道即為本次分析站點南盛(工業(yè)渠道)站所在的農業(yè)渠，水源主要供給化州市、吳川市等地的農業(yè)灌溉用。農業(yè)渠水面比降為0.2‰。

3.2 測站情況

1)化州水文站地處廣東省茂名市化州市，在鑒江干流下游，測驗河段位于丘陵地貌區(qū)。該站測驗河段順直河段長約為1.1km，屬于河槽控制。斷面下游60m和150m各有公路、鐵路橋梁一座，對水流有一定攔蓄作用。斷面上游約5km處有江邊村攔河壩，下游約8km處有高嶺攔河壩。上下兩壩節(jié)制閘的啟閉對本站的水位、流量變化有較大影響，特別是在低水時，影響尤為突出。

低水時右岸有漫灘現(xiàn)象，中弘偏右岸。河床為砂質，河底平順性一般，水流較通暢，基本上無死水、斜流或回流。

2)南盛(工業(yè)渠道)站地處地處廣東省茂名市化州市南盛街道辦，在南盛攔河壩閘下600m，河段順直，水流通暢，兩側岸壁及渠道底坡均為混凝土，渠底平整，部分地方有少量淤積的細沙，斷面呈規(guī)整的梯形[2]。

3.3 檢驗結果

4 結 語

1)在計算斷面流速比系數時，傳統(tǒng)水文流量測驗的流速儀法需尋找有代表性的垂線并實測每條垂線相對水深0.2及0.8處的流速，耗時費力。文章利用現(xiàn)代化流量測驗設備M9實測流量數據量大、實測流速垂線多的特點，使得出斷面流速比系數更省時快捷精準；2)按照流速比糙率公式原理，可以用垂線上任意2點的流速比值作為垂線流速比系數。M9實測流量的每條垂線包含了相對水深的很多測點，極大拓展了流速比糙率公式的數據選用范圍。為進一步研究流速比糙率公式適用范圍提供了思路。

3)利用曼寧公式計算糙率須有比降資料，但在天然河道觀測比降困難較多，且比降觀測誤差較大，不甚便利。利用流速比公式計算糙率，無需比降資料，且M9適合野外流量測驗，便利性大大提高；4)文章計算的兩站的水位-糙率關系良好，證明在無水面比降資料河道利用流速比公式計算糙率是一種切實可行的方法。