淺析河道糙率的算法

徐觀兵

摘要：河道糙率是回水計算的關(guān)鍵參數(shù)，對河道治理、水利建設(shè)中的輸水損失、防汛搶險中的洪水演算至關(guān)重要。水庫淤積后糙率將隨著變化，因此選用適當(dāng)?shù)牟诼仕惴ǎ菐靺^(qū)回水計算十分關(guān)鍵的一步，對水庫淤積后沿程水位確定、城市防洪安全、堤防設(shè)計高程擬定、水庫防洪庫容計算等均具有直接影響。

關(guān)鍵詞：河道糙率；水庫淤積；回水計算

1引言

河道糙率是反映河床表面粗糙程度的重要水力參數(shù)，受眾多因素影響，包括岸壁和河床等的粗糙程度，斷面形狀，河床表面、河道岸壁等的地質(zhì)特性，水流的流態(tài)以及含沙量等。這些因素的變化情況，都與河流的特性不同，即使是同一條河流的上、中、下游各處，乃至同一河段的不同水深時也是不一樣，其值很難精確求得，然而基本的公式法和查表法得出的具體值并不能滿足水力的計算要求，因此是否選擇合理的方法來計算糙率將會直接影響計算結(jié)果的正確性和合理性。通常情況下，如果河流的河床和邊壁等組成情況沒有特別改變，那么，糙率大小的變化趨勢將會是隨著河道水深的增加而遞減，直到某一水位，糙率才穩(wěn)定不變。對一般的河道而言，不同水位下的各種水力特性往往不同，比如邊壁特性、植物生長、河床質(zhì)組成等情況都不一致，不同水位下的河段平均粗糙程度也有所不同，水深通常可以間接反映這種變化。糙率是一個綜合的阻力系數(shù)，受多方面的因素影響，包括河道的幾何形狀、水力條件、甚至包括比降觀測、水深、流速等各項數(shù)據(jù)的測量誤差。糙率的計算是否合理正確、將對洪水演算產(chǎn)生較大的影響。研究表明，糙率也是一個相當(dāng)敏感的參數(shù)。因此，考慮糙率隨水位流量變化是有必要的。

2糙率算法

2.1查表估值法

所謂查表估值法，是指在缺乏實(shí)測資料的情況下，結(jié)合河道特征，參照相似河道的糙率，再根據(jù)河床粗糙程度的特征，通過查詢天然河道的糙率表得出糙率。該方法沒有考慮局部阻力，僅反映切應(yīng)力對水流的阻力。此時雖然有圖表可查，但很大程度上依賴于技術(shù)人員的工程經(jīng)驗(yàn)，因此查表估值法有一定的誤差性，所以要慎重選擇。

2.2水力學(xué)推算法

當(dāng)河道有實(shí)測資料時，可應(yīng)用水力學(xué)推算法來計算糙率。水力學(xué)推算法是指利用河道實(shí)測水文資料推算糙率。將水力學(xué)推算法應(yīng)用到特定河段時，需要預(yù)先判斷水流的流態(tài)。當(dāng)流態(tài)為恒定均勻流時，則應(yīng)用謝才曼寧公式來推算糙率；當(dāng)流態(tài)為漸變流時，則利用該河段實(shí)測資料的平均值來推算糙率初值，再利用反復(fù)推算水面線的方法來推算糙率值，直至符合計算需求。

2.3反求糙率精度法

反求糙率精度法是指通過將實(shí)測的相關(guān)資料代入曼寧公式來反求糙率。在天然河流中的水流通常是處于一個非恒定流的狀態(tài)。而曼寧公式的推導(dǎo)卻是在近似于均勻流的水流流態(tài)下進(jìn)行的。因此，在觀測水面比降的時候，應(yīng)選擇在水流流態(tài)短時內(nèi)處于平穩(wěn)狀態(tài)時進(jìn)行觀測，或者在洪水漲落時，短時間內(nèi)出現(xiàn)峰頂時進(jìn)行觀測，利用這種方式觀測出來的比降資料通過曼寧公式才能較準(zhǔn)確地對糙率進(jìn)行計算。水文站在勘選斷面時，應(yīng)當(dāng)避免選擇那些會出現(xiàn)深潭、彎道及形狀急劇變化等的斷面。選擇合適的斷面進(jìn)行觀測，可以減少局部能量損失，甚至可以忽略局部能量的損失。從而使得在計算糙率的時候，可以直接使用曼寧公式通過水面比降將糙率反求出來。

3糙率算法修正辦法

3.1糙率參數(shù)反問題修正法

通常，由糙率公式法推算出來的糙率不能直接應(yīng)用到天然河道中的計算，因?yàn)橛刹诼使酵扑愠鰜淼牟诼逝c用洪水資料推算出來的糙率存在差異。天然河流在計算糙率過程中所選用的糙率系數(shù)n是一個相對比較綜合的阻力系數(shù)，既反應(yīng)了周界粗糙程度，也反應(yīng)出河道斷面的形狀、水流的流態(tài)以及水力條件等的變化。在糙率計算中，應(yīng)用手工調(diào)試的方法來率定斷面的糙率存在明顯的弊端。當(dāng)河網(wǎng)規(guī)模比較大且復(fù)雜時，應(yīng)用手工調(diào)試的方法來率定糙率的工作量會變得非常巨大，同時伴有很大的隨機(jī)性。為克服這些弊端，可將各級糙率的率定提為反問題中的參數(shù)問題，采用優(yōu)化方法率定糙率，有效地節(jié)省了工作量與工作時間，同時還能提高準(zhǔn)確率。

3.2綜合計算糙率法

所謂綜合計算糙率法是指利用局部能量損失系數(shù)以及反映切應(yīng)力的糙率參數(shù)綜合計算糙率的方法。但，利用該方法的前提是假設(shè)局部能量損失在計算子河段內(nèi)是均勻分配，且不影響計算斷面的計算水位值。

因?yàn)樵谔烊缓拥乐兴鞯牧鲬B(tài)往往是非恒定流，恒定流出現(xiàn)的時間和概率均較小。天然河流中，沿程水深和流速通常是不斷變化，使得天然河流的流態(tài)往往形成恒定非均勻流。因此，在考慮能量損失時，應(yīng)當(dāng)把局部能量損失也考慮進(jìn)去。需要用能量方程來代替曼寧公式來確定糙率。

總結(jié)：隨著大量水庫的運(yùn)行使用，泥沙淤積也隨之發(fā)展，造成了水庫庫容的損失，大大降低了水庫的綜合效益，還會產(chǎn)生一系列嚴(yán)重影響，因此準(zhǔn)確預(yù)測河道的糙率，尤其成庫后的綜合糙率，對河道的各種水力、泥沙沖淤和排沙的準(zhǔn)確計算有著重要意義。以往針對水庫淤積糙率的研究主要采用半理論半經(jīng)驗(yàn)方式、或采用淤積初步平衡其他類似河段參考等方式進(jìn)行確定，為了克服這種弊端，部分研究人員提出了一些新方法來推算糙率，以期得到更加準(zhǔn)確和合理的結(jié)果。以此同時，對糙率進(jìn)行了修正研究，還能提高精度，減小糙率對模擬結(jié)果產(chǎn)生的影響。endprint