天然河道水流動能校正系數的分析與應用

楊玉閣，陳祖輝，趙慶生

（遼寧省水文水資源勘測局鐵嶺分局，遼寧 鐵嶺 112000）

1 問題的提出

在水文測驗中，測驗設施的抗洪標準受地理位置及經濟條件限制，一般不高，只能達到一般洪水的測驗要求。常規的測驗方法為流速儀法和浮標法，當超標準洪水來臨時，常規的測驗方法已完成不了搶測洪峰的要求，利用實際液體總流的能量方程可以解決超標準洪水測驗問題。根據實際液體總流的能量方程理論去解決比降～面積法公式中的參數——動能校正系數α。

2 動能校正系數的產生

實際液體總流的動能為：

式中：V——斷面平均流速；Q——流量；α——動能校正系數；A——斷面面積；△u——各點流速與平均流速的差值；g——重力加速度。

對于天然河道液體總流的能量方程為：

由式（2）推導出運用于天然河道的流量計算公式：

式中：Q——河道流量；I——水面比降；K——平均輸水率；α——動能校正系數；ξ——沿程收縮或擴散系數；L——上、下斷面間距；A上，A下——上、下斷面面積；g——重力加速度。

公式中的動能校正系數α，在水力學中給出的范圍為1.05～1.10，這也是規范中給出的范圍。在工作實踐中發現，天然河道的動能校正系數遠遠超過這一范圍。特別是在洪水漫灘時，流速分布極不均勻，水流的流速中泓大，岸邊小，造成水流的實際動能遠大于用平均流速計算的動能，所以實際的動能校正系數要大。

3 動能校正系數的分析計算

動能校正系數的計算采用水文測驗規范中的公式計算：

式中：vm—斷面上最大測點流速，m/s；v—斷面平均流速，m/s。

根據某站的歷史流量資料，動能校正系數的計算見表1。根據表中數據點繪水位與動能校正系數α關系圖（見圖1）。

表1 某站動能校正系數計算成果表

通過關系圖可知：動能校正系數大于1.1，隨著水位的上升，逐漸增大；當接近漫灘時，動能校正系數突然變大；超過灘地水位時，開始減少。所以，天然河道的動能校正系數大于1.1，受斷面形狀的影響較大。窄深河道變化范圍小，寬淺河道變化范圍大，完全符合天然河道流速的分布特點。

圖1 動能校正系數

4 動能校正系數選取對流量計算的影響

水位H=1.22 m，平均輸水率K=22 857，水位差△H=0.20 m，上、下斷面間距L=150 m，上斷面面積 A上=440 m2，下斷面面積 A下=383 m2，沿程收縮系數ξ=0，重力加速度g=9.81 m/s2。當動能校正系數α取1.10時：

當動能校正系數α取1.82時：

由于動能校正系數采用的不同，計算出的流量結果就不同，誤差接近8%，已超出流量測驗精度的要求，特別是在特大洪水的測報工作中，這個誤差是相當危險的。