人工河道斷面水面流速系數的探討

戴菊真

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人工河道斷面水面流速系數的探討

戴菊真

泉州市山美水庫管理處

人工河道斷面水面流速系數在無精測法資料可供對比分析的情況下，采用比照同類站直接選用具有一定的盲目性。以0.6相對水深測速代表平均流速，作為計算斷面平均流速的標準值，以較為接近天然河流的對數型垂線流速分布公式為理論依據，與采用假定水面流速系數測速的斷面平均虛流速進行比較，分析水面流速系數。并用數理統計的量化標準反證所求水面流速系數是比較簡便易行的。

人工河道斷面 水面流速系數 流量測驗

水面流速系數是斷面實測流量與同時施測水面流速計算出的虛流量之比值?！逗恿髁髁繙y驗規范》GB50179－93中規定：暢流期水面流速系數應由多點法測速資料或其他加測水面流速的資料分析確定，或根據實測的水面比降、河床糙率等資料分析計算?！端臏y驗手冊》中，給出了天然河道在沒有資料時，可參照選用的水面流速系數K1值表，還給出了有實測河床糙率資料及與弗汝德數Fr1、水面比降有關的水面流速系數計算式。

本文探討無多點法測速資料或其他加測水面流速的資料情況下，河道流量測驗中如何合理地確定水面流速系數。解決以下兩個問題：①《水文測驗手冊》給出了天然河道的水面流速系數參照表能否直接用于人工河道斷面上？如果比照同類站直接選用系數，選用值的衡量標準是什么？②計算水面流速系數的卡門參數同水面虛流速和垂線平均流速及水面比降有關，在沒有精測資料的情況下，卡門參數如何推求？水面比降怎樣確定？現以永春（三）站1999年～2002年實測資料分析為例，對上述問題做初步探討。

1 基本情況及發現的問題

1.1 永春（三）站測驗河段基本情況

永春（三）站于1994年遷移到現斷面。1998年建防洪堤，河段順直，河底經人工整理比較平整。兩岸為漿砌塊石，斷面呈矩形，河底為河卵石，受沖淤變化小。

1.2 永春（三）站流量測驗情況

本站流速儀測流斷面寬92.5m，布設測速垂線數10條，每條垂線用一點法測速，水深測量采用纜道測深或套用實測大斷面。

1999年～2002年4年施測的全部流量資料中，有采用水面一點法流量30份，相對水深0.6的50份，其他為半深及混合法測速。該站水面流速系數、半深流速系數比照參考其他站的情況和《水文測驗手冊》給出的參照表，用0.80和0.90，系數未經試驗分析。

1.3 流量資料整編中發現的問題

水位流量關系反曲。以現采用的水面流速系數計算出的斷面平均流速關系繪出的水位～流量關系曲線呈反曲趨勢，與矩形河道斷面水位流量關系的實際情況不符。

水面一點法測速系數系統偏小。點繪不同施測方法的水位～流速關系，可以看出在中水部分，由于采用水面一點法測速，使流速明顯偏小，初步分析是水面流速系數取值不當造成的。

2 水面流速系數的確定

2.1 方法及理論依據

影響水面流速系數的因素主要有斷面形狀、河床糙率、水面比降等?！端臏y驗手冊》給出如下水面流速系數K1計算式：

卡門參數k可通過實測資料按下式計算：

V0為水面流速，Vm為垂線平均流速。

在水文測驗中，對于寬淺的河道水流，通常采用的流速分布公式為對數曲線型公式。因此，垂線上任意點流速V與垂線平均流速Vm的關系為：

V=Vm+(V*/k)(1+lnη)

當V=Vm時，(V*/k)(1+lnη)=0。因V*/k不等于零，故（1+lnη）必等于零，此時η=0.37。水文測驗常采用相對水深0.6處的流速作為垂線平均流速，其理論根據就在于此。為此，以相對水深0.6的水位～流速關系為標準，進行卡門參數k的計算。

2.2 分析步驟

統計永春（三）站1999年～2002年各流量測次的水位、流量、流速、面積、測速時流速儀的相對位置等。

將不同方法測流的水位～流速關系點據同繪在一張圖中，點據分布呈反曲趨勢。如按不同測速方法，分別居中定線可繪出三條曲線：從左到右分別為水面、半深、0.6相對水深的水位～流速關系。其中半深和0.6相對位置的水位～流速關系線基本重合，說明現采用的半深系數0.9合適，而水面流速系數明顯偏小。

從各個測次的計算結果可知，卡門系數為0.68和0.65時，水面流速系數均為0.87。

2.3 成果的合理性分析

以水面流速系數0.87重新計算各測次的實測垂線平均流速，點繪新的水位～流速關系線。關系線基本上是一條上凹型的曲線，已符合矩形河道的斷面平均流速分布線型。因此，初步認為所確定的水面系數0.87是合理的。

3 結論

3.1 人工河道是指河底經人工整治比較平整，河段順直的河道?！端臏y驗手冊》中天然河道的水面流速K1值表在水流條件良好的河床情況下的取值與本文的分析結果相符合，可作為類似站先用K1值時參考。以0.6相對水深測速代表垂線平均流速，作為計算斷面平均流速的標準值，以較為接近天然河流的垂線流速分布的對數型曲線公式作為分析的理論依據，與采用假定水面流速系數測速的斷面平均虛流速進行比較，尚能分析出符合本站實際的水面流速系數。

3.2 卡門公式中，水面流速與斷面平均流速的差值，可先將兩組水位～流速關系概化成直線或取其切線，再選取兩個水位的差值，分別計算出k值。本文分析的計算結果表明，卡門參數差別不大。

3.3 對河底經人工整理比較平整順直的河段，沒有水面比降資料時，可以采用河底坡度代替。對沒有沖淤變化的站，套用實測大斷面面積比較好。