輸水渠道糙率推求的一種新方法

李洪亮

（1.中國海洋大學，山東青島 266000；2.德州市李家岸灌區管理局，山東德州 253014）

輸水渠道糙率推求的一種新方法

李洪亮1，2

（1.中國海洋大學，山東青島 266000；2.德州市李家岸灌區管理局，山東德州 253014）

在渠道規劃設計中渠道糙率的推求有多種方法，本文介紹一種基于灌區渠道信息化數據資料推求糙率的新方法。該方法在李家岸引黃灌區總干渠水能研究中進行了實踐和驗證。

引黃灌區；渠道；糙率推求

糙率系數作為水力計算中一個至關重要的參數,對其變化規律及取值范圍的研究是進行各種水利工程設計、施工、運行和管理工作的重要依據。糙率值一般由實驗數據測得，使用時可查表選用。在河流或渠道已有流速資料的情況下，也可以由謝才——曼寧公式反求糙率值，與查表所得的值相互驗證而加以選定。

李家岸總干渠為人工開挖的規則渠道，以前在規劃設計中糙率取綜合糙率，按土渠糙率0.022 5和襯砌坡糙率0.017加權平均得到。對土渠和混凝土板邊坡糙率沒有進行率定，根據經驗取值，這樣容易降低計算精度。

1 糙率推求

1.1 基礎資料搜集

德州市李家岸灌區2010年在總干渠5個測水站設水情管理系統，在李家岸、譚屯、崔許、王寶、宮家、牛角店站所設立了水位采集點，采用非接觸式雷達水位計采集總干渠水位，自動采集時間間隔為10 s，數據自動保存在數據庫。

1.2 計算原理

各測站之間的距離是固定的，李家岸、崔許、宮家、牛角店各站點間的長度分別為：12.617 km、19.8 km、14.898 km。依托灌區信息化水位變化監測系統，推求水流的傳播時間Δt，推求出平均流速V，從而推求出渠道流量。

1.3 計算方法

通過近一年的運行和完善，至2012-09，水位采集系統日趨完善成熟。通過對相關測站的水位數據庫資料進行整理，繪制水位時間過程線，將上下游測站的水位過程線進行趨勢相關法對比（趨勢線擬合法），分析出測站間的水流傳播時間Δt，通過水位計算斷面面積，進而計算出流量。

由于采集信息是在沿途各口門嚴格關閉的情況下，灌區自動化系統運行時間不長，錄入的有效數據較少，目前尚沒有不同流量的水位流量關系資料，但可基本滿足本灌區糙率推求的需求。依據灌區信息化數據庫資料以及推求出的流速、流量數據，根據明渠均勻流公式反求渠底糙率和邊坡糙率，后計算不同水位的綜合糙率。

2 糙率的率定

2.1 測站選擇

根據灌區總干渠斷面實際情況，渠首至崔許閘段為輸沙渠段，邊坡和渠底均未襯砌。崔許以下段邊坡采用混凝土板襯砌，渠底未襯砌。因此，選取渠首、崔許段、宮家、牛角店4個測站的數據庫。

2.2 水位資料的提取與整理

根據當時主要向牛角店以下寧津和樂陵水庫供水的實際情況，此時引水口門全部關閉。為提高計算精度，對渠首至牛角店間的引水口門進行了全面排查，對存在漏水的4個口門進行了封堵，測驗段流量損失只有滲漏和蒸發，率定的糙率應是最切合實際的。根據目前自動化系統存貯的信息，選取2011-09-30～2011-11-06的水位資料，以上述時間來水歷程作為基礎資料，通過計算機程序提取數據和各閘測站的水位過程線。以譚屯至崔許為例進行分析計算。

2011年10-11月譚屯站水位過程線

2011年10-11月崔許站水位過程線

2.3 水流傳播時間Δt推求

計算Δt可通過兩種方法。一種是過程線平移法：盡管相關測站同一時間水位變化量不同，但如果將下一測站的時間提前一定的范圍，變化趨勢線相對平行，提前的時間即是水流傳播時間Δt。因此，將水位過程線通過平移法，趨勢相同時，特別是變化凹凸點相對應時，水平平移座標變化量即為對應特征水位或流量的Δt。一種是數據分析法，通過數據分析找到變化趨勢對應點，通過對應點的時間坐標差求得Δt。根據各站水位過程線可知各相關站點的水位隨時間的變化趨勢大體相關。實踐中采取兩種方法結合的辦法，即通過過程線平移法找到密切相關的時間段，再從中提取相關數據。

通過譚屯至崔許相關段水位過程圖，調取兩站2011年10月10日8點至15日8點的水位數據，通過電子表格求極值法，取得譚屯站水位最大值（波峰）24.06 m，出現時間為15日13∶08∶39；水位最小值（波谷）24.02 m，出現時間為15日10∶05∶19；崔許站水位最大值（波峰）23.24 m，出現時間為15日18∶15∶43；水位最小值（波谷）23.20 m，出現時間為15日15∶21∶01；譚屯站波峰傳到崔許時間為5 h 07 min 04 s，波谷傳播時間為5 h 15 min 42 s。

兩測站之間距離是11.624 km，水流波峰傳播時間Δt=18 424 s，波谷傳播時間Δt=18 942 s。

2.4 糙率推求

根據以上波峰和波谷的水流傳播時間，利用下式得到不同水位的平均流速。

V=L/Δt

式中：V為流速，m/s；L為兩測站間距，m；Δt為兩測站出現相應波峰或波谷的時間差，s。

可得兩測站間的水位與平均流速建立對應關系，同時計算此水位下的斷面面積，得平均流量，根據流量、流速、比降、底寬、邊坡等條件反求得不同水位的糙率，根據從低到高建立水位糙率關系。依據下式通過假設邊坡和渠底糙率試算N綜。

N綜＝（L底×n底+L邊×n邊）/（L底+L邊）

式中：L底、L邊為計算斷面渠底、邊坡（兩邊坡之和）長度，m；n底、n邊為計算斷面渠底、邊坡假定糙率；N綜為計算綜合糙率，無量綱。

通過假設邊坡和渠底糙率試算N綜，計算結果不可能與反求糙率全部擬合，對反求糙率與試算糙率的比值進行一致性檢驗，采用格羅布斯準則進行。當g(n)＜g0（n，0.05）時，數據具有一致性，因此，可取此時假設渠底和邊坡糙率值作為已知糙率，由綜合糙率計算公式可得不同水位的綜合糙率。

取兩測站中間斷面樁號6+864，則高水位為23.65 m，低水位為23.61 m，根據斷面因素表取得樁號6+864處渠底高程為21.57 m，則高、低水位時的水深分別為2.08和2.04 m。通過流速計算流量，然后反求綜合糙率N，計算結果詳見表1。本段均為土坡，實驗值需驗證數據一致性。計算該組數據均方差S為0.000 3，單差最大為0.000 46，g(6)=1.54＜g0（6，0.05）=1.82，計算結果詳見表2，數據具有一致性。因此，輸沙渠段糙率取值為0.025，總干渠未護底段的渠底糙率亦取此值。

3 結語

本文提供的方法雖受各種輸水條件限制，不一定是最合理的，但基于信息自動采集，具有隨用隨取的便利。本方法只是一個初步的探索，以后還要不斷修正完善。

TV131

B

1009-6159（2014）-10-0020-02

2014-06-17

李洪亮（1970—），男，高級工程師