河道糙率的影響因素分析

趙慶奎

(山西省平陸縣水利局水資辦,山西 平陸 044300)

河道糙率的影響因素分析

趙慶奎

(山西省平陸縣水利局水資辦,山西 平陸 044300)

簡略回顧了糙率研究的歷史狀況,收集山西 44個水文站的實測水文資料分析后,認為影響河道糙率的主要因素是河床質組成、岸壁特征、植被狀況和水流的平面形態,寬深比對糙率有影響,而比降、含沙量、流域面積大小對糙率沒有影響。之外,斷面上下游河道的地形、地貌和障礙物決定糙率曲線線型的變化。

糙率;河床質;植被;比降;含沙量

1 簡略的回顧

河道糙率是反映河床表面粗糙程度的重要水力參數,在涉水工程中多有應用,如交通建設中的橋涵建造、防汛搶險中的洪水演算、水資源調配中的輸水損失計算等。1769年法國工程師 A.de謝才從河渠測量中求得計算明渠均勻流的流速公式:

式中:V代表斷面平均流速;I代表水面比降;R代表水力半徑,即過水斷面面積(A)與過水斷面濕周(χ)的比值;C即是謝才系數。

求算謝才系數的經驗公式很多,其中最為典型的是 1889年由愛爾蘭工程師 R.滿寧提出的,其原式為:

式中的 n即是通常所說的糙率。

后來人們常將(1)、(2)合并使用來求算流量,即

(3)是經驗公式,人們常稱之為謝才 ～滿寧公式,或干脆稱為滿寧公式。由于該公式形式簡單,結構穩定,應用方便,計算結果較為準確,所以被視為經典,至今仍廣泛應用于明渠均勻流計算。按照《水文測驗試行規范》(中華人民共和國水利電力部,水利電力出版社,1975年 4月)、《水文測驗手冊》(水利電力部水利司,水利出版社,1980年 7月)的規定,《中華人民共和國水文年鑒》中所刊印的河道糙率值也都是用滿寧公式計算求得的。

蘇聯從 1890年到 1931年期間,曾建議將 0.85～1.30用作河槽的糙率,而將 1.75用作河灘的糙率,這便是天然河流糙率值估算最原始、最簡單的胚胎。當然,實踐證明這與實際數值完全不相符合。到 1932年,M..Φ.斯里希雷教授編制出了天然河流的河槽糙率系數表。該表根據 600多個測點的資料編制而成,限于條件和當時的認識水平,該表分類過于簡單,河段特征也不夠明顯,而且將糙率當作與水深無關的定值來處理,也與實際情況不符。

1937年,E..B.包爾達柯夫對糙率系數表進行了改進,即糙率數值隨平均水深而變化,但在分類過簡和河段特征描述方面仍無進步。1957年,蘇聯頒布的《鐵路橋渡勘測設計規程》中附有天然河流糙率系數表,此表根據上述兩表所編制,在水流特征方面增列了流域面積大小。

1960年時 M..Φ.斯里希雷新表公布,新表的依據資料大為增加,而且按山區與平原區河流編制河流糙率系數表,山區河流將比降作為單獨因素考慮,并且增加了糙率隨水位上升而變化的內容。

我國在 20世紀 50年代至 60年代初期,即是使用上述的蘇聯糙率表。但在使用中發現與我國情況差異頗大,因此于1960年 ～1961年,由交通與鐵道兩個部門聯合進行了河流洪水糙率研究,從 1961年至 1964年陸續制定出西北地區,西南地區,華北、東北地區,中南、華東地區 4個河流洪水糙率系數表并頒布使用。在編制此表時,使用了全國 353處水文站 1956～1960年的 15 946個測點資料,客觀上存在著測站少、代表性差的問題。之外,在以后的經濟建設中,許多河流被治理,人類活動影響較大,還有一些是屬于認識上的問題,也需要修正。

2 影響河道糙率的因素分析

2.1 影響河道糙率的主要因素

河道糙率是河床表面粗糙程度的物理性指標,其構成因素有河床質的組成和結構、河道斷面的形態和變化、岸坡特征和植被以及水流的平面變化情況等,限于經濟技術水平和條件,目前還無法對這些構成因素進行定量分析。在系統地進行糙率研究時,只能是根據調查和實測到的水文資料進行定性描述,比如對河床質的大小和多少、河道斷面的形態(窄深或寬淺型)和變化(順直或上寬下窄、上窄下寬喇叭口型)、岸坡特征和植被(低灌、高桿農作物或樹木)等盡量地使用數字進行文字性描述。當然,也可以拍攝一些照片供分析和使用者參考。之外,一般情況下,山區、山前區、平原區的河流各具特點,這也是分析和使用者所一致公認的,所以應予分別對待。

2.1.1 河床組成、岸壁特征

河床中的泥沙、卵石、原生巖石等組成物的構成及粒徑,河床岸壁的表面平整或凹凸情況,構成河床和岸壁的表面粗糙度。此外,岸坡的陡峻、傾斜程度,中、低水深時有無邊灘,都會引起濕周的變化,從而產生各種組合情況下對水流不同程度的阻力影響因素。

2.1.2 植被狀況

主要指河床岸壁及岸灘植被的有無以及種類、密度、高度、季節或年際變化等。

2.1.3 河段平面特征及水流情況

如河段順直或彎曲程度,平面擴散、收縮形態,上下游有無卡口、急灘、閘壩、橋梁、支流匯入,岸邊水流是否暢通或有無漩渦、死水等。

由于天然河流的復雜性,無法通過影響因素對糙率進行定量分析。因此通用的方法是根據實測水文資料綜合分析糙率取值及其變化情況。

糙率 n值的變化受到上述諸多因素影響,而這些因素的變化情況,不但不同特性的河流不同,即使是同一條河流的上、下游各處,乃至同一河段的各級水深時也是不一樣的。因此,各個具體河段糙率的大小及其變化,決定于上述諸因素綜合作用的結果。也即是說,在影響河道糙率的河床質組成、岸壁特征、植被狀況、平面形態這些因素中,只要其中任何一項發生變化,就可能會引起糙率 n值的不同程度變化。如果其中多項因素均發生變化,通過綜合作用的結果,可能會出現糙率 n值的巨變、微變、不變多種情況。因此,糙率隨水深變化的 h～n關系曲線,實際反映了某一河段各級水深時上述 4項因素綜合影響的結果。在某一級水深變幅,如果這種綜合作用的影響逐漸地增大了對水流的阻力,則糙率n值也增大,反之則減小,如果維持不變,則 n值也不變。

從實地勘查和阻力分析中認識到的一般情況是,低水深時隨著水深的減小,河床底部相對糙度和濕周的影響越來越大,所以糙率增大;隨著水深的增加,床面影響逐漸減小,岸壁影響增大。如果岸壁是天然巖石或人工漿砌的,或雖然是土質但相對平整、規則,且植被稀疏,河岸線順直,河床和岸壁的綜合影響對整個水流的阻力相對減小,則糙率隨水深的增大而減小;如果岸坡凹凸度大,坎坷不平,岸邊線不順直,而且隨水深的增加越加顯著,或是隨著水深的增加有了植被影響,如樹林、高桿農作物,而且密度漸增等等,則低水深以上可能出現糙率增大的情況;如前所述,倘低水深或中等水深以上,河段平面特征、河床、岸壁、植被等情況下的阻水作用互相抵消了,則可能糙率值不變。

2.2 其它影響因素

2.2.1 河道比降對糙率的影響

從理論上來講,河道比降與糙率取值是沒有直接關系的。對于某一具體河段來說,由于河道地形地貌和河床質的組成結構是既定的,所以,它的糙率也是一個定值。即在人們認識它以前或以后,它是一個確定的值,僅僅在水深發生變化時,由于水流與河床的接觸面發生了變化,糙率值才發生變化。倘若人工砌筑兩個相同的過水斷面,即床面組成結構和斷面形態均相同,則糙率值是一致的。在其底坡有所差異時,根據滿寧公式,比降大時因其流速大而過水能力強,流量大;底坡小的因其流速小而過水能力弱,流量小。實踐中,有一個普遍的現象需要注意,即比降大的河流均在山區、山前區,而平原區河流的比降一般都比較小。比降大的河道,其河床質都較為粗碩,粒徑大,對水流的阻力也大,糙率值也大。從某種意義上來講,無論是滿寧公式,還是河道實際,其實質都暗涵了比降的因素,但在實踐工作時,筆者認為,不必將比降單獨列為影響因子。

2.2.2 河道寬深比對糙率值的影響

河道寬深比實際上是河道斷面的一個形態系數。寬深比大,則說明河道呈現為寬淺型;寬深比小,則說明河道呈現為窄深型。一般意義上講,寬淺型河道因河床底部河床質對水流的阻力作用相對較大,而糙率值也大;窄深型河道因水流所遇阻力小而糙率值也小。

2.2.3 水流含沙量與糙率的關系

關于水流含沙量的多少對糙率的大小是否具有影響,筆者使用山西汾河柴莊水文站的資料進行了分析,即使用在洪水時期測取到的平均水深近似相同時的含沙量與糙率資料進行相關分析,如附圖 1、2、3給出了柴莊水文站平均水深分別在 1m、2m、3 m時的糙率與含沙量相關圖,由圖可見,含沙量的多少與糙率基本沒關系。所以認為,影響糙率的主要是河床水力條件,而洪水含沙量主要消耗水流的內能,它并不影響水流與河床的接觸條件,故而含沙量與糙率是沒有關系的。這一點前人也已經有過結論。

2.2.4 流域面積與糙率沒有關系

由上述討論可知,影響糙率的主要是河床的水力條件,而流域面積的大小和形狀與河床的水力條件是沒有關系的。故此在分析河道糙率時,考慮流域面積的大小和形狀是沒有必要的。有人在分析使用糙率時要考慮該站是大河站還是小河站,實際上,這些因素與河床的水力條件,即糙率基本沒有直接的聯系。

3 糙率曲線的線型和影響因素分析

使用糙率在各級水深時的測定值,建立其關系曲線,因各個河段的糙率影響因素不盡相同,所以其關系曲線表現各異,而且有的差異頗大。筆者收集山西 44個水文站的糙率實測資料(計有山區水文站 33處,山前區水文站 6處,平原區水文站 5處),建立了各自的關系曲線,按照山區、山前區、平原區分類時,即使在相同的地類區,糙率曲線的線型也有很大差異。如山區站共有 33個,在綜合其類型時,僅有 18個站能夠綜合成為 7種線型(占山區站總數的 54.5%),其余的只能以單站形式列出。

糙率曲線的表現形式有正向、反向、常數型、左開口弓型、右開口弓型、彎曲型 6種(參見文后附圖),其表現形式和影響因素分析如下。

3.1 左開口弓形線型

隨著水深的增加,糙率值先增大而后又漸次減小。其原因是中、低水深時河槽對水流的阻力較大,到某一水深時,水流突然暢通,阻力漸小。

3.2 右開口弓形線型

造成這種線型的河道情況大體上是因為測驗河段上、下游均有橋梁、低壩或是河道中有天然生成的石質卡口、急灘、彎道等,中、低水深時上游河道狀態對水流起主要影響作用,水流通暢,糙率漸小;高、中水深時下游河道狀態對水流發生了更大影響,對水流形成阻滯,而且呈現為越來越大的趨勢。

3.3 彎曲線型

彎曲線型糙率隨水深的增大呈復雜變化。其形成原因比較復雜,低水時由于河槽床面對水流的阻力而使糙率值比較大,隨著水深的增加,糙率值相應趨小。當水深再度增加時,由于岸壁或下游阻力影響,糙率值再度增大,而當水深增加至擴散或開闊位置時,水流通暢,糙率值再度發生降小趨勢。

3.4 常數型

糙率值不隨水深的增減而變化。其原因較為復雜,實質上是影響河道對水流阻力的因素在各級水深時的消長互相平衡,致使糙率在各級水深時始終沒有太大的變化。

3.5 正向線型

糙率值隨水深的增加而增大。這種線型的水文站測驗河段一般較為順直,但下游有急灘、卡口、彎道、橋梁或支流匯入等情況,使得高、中水深時水流不夠順暢,甚至有回流、頂托等現象。也有的是在高、中水深時有樹木或高桿農作物起阻水作用,因而使糙率值趨大。

3.6 反向線型

糙率值隨水深的增加而減小。一般情況下,在測驗河段的下游有河道擴散呈喇叭口狀,或上游河道有卡口、石梁、急灘等以致水流特別暢通,兩岸邊坡植被稀少,甚至是規整的石質岸坡等,對水流的阻力很小,所以隨著水深的增加,糙率值不增反降。

總之,某一水深時的糙率大小取決于河床質組成、岸壁特征、植被狀況以及河段的平面形態,而造成糙率曲線形態變化的原因是分析河段上、下游地形、地貌的影響(當然,這些影響還與其距離有關)。河道縱、橫兩方面對水流阻力條件的差異和變化,綜合決定了的糙率關系曲線的取值和走向。

4 結論和建議

根據上述討論,可以得出這樣一些結論:

(1)影響河道糙率的主要因素是河床質組成、岸壁特征、植被狀況、水流的平面形態;

(2)河道的寬深比對糙率有影響,而比降、含沙量、流域面積大小對糙率沒有影響;

(3)河道糙率曲線的變化受到斷面上下游地形、地貌和障礙物的影響。

(4)工程實踐中經常有盲目套用糙率值的情況,甚至在技術文件中有某條河糙率為多少的提法,這都是不對的,應該根據具體河段的具體情況選用糙率值,以免造成工程建設的不合理情況發生。

(5)建議根據我國各地的水文實測資料進行河道糙率的研,以探索糙率變化原理并修正不正確看法,更好服務于國民經濟建設。

[1]錢寧,黃河下游的糙率問題,《錢寧論文集》,清華大學出版社,1990年 4月。

[2]程進豪等,黃河山東段河床糙率分析,《水利學報》,1997.1.

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1004-1184(2011)01-0176-02

2010-09-19

趙慶奎﹙ 1967-﹚,男,山西平陸人,工程師,主要從事地下水資源監測、管理及研究工作。