新疆阿勒泰哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道糙率的試驗(yàn)分析

劉 婕

（新疆阿勒泰水文勘測(cè)局，新疆 阿勒泰 836500）

0 引言

表面具有自由水流的人工渠道水流水力計(jì)算和糙率系數(shù)研究是工程水力計(jì)算的難題之一，對(duì)水利工程設(shè)計(jì)與投資具有決定性意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者都對(duì)自由明渠糙率的演變規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)分析與研究，例如馬繼明等通過(guò)對(duì)具體水利工程寬淺渠道的模擬試驗(yàn)與分析，指出對(duì)于水力半徑、斷面形狀和尺寸不同的渠道，隨流量的增大，其糙率隨之增大[1]；楊岑通過(guò)對(duì)不同糙率人工渠道的試驗(yàn)得出結(jié)論，認(rèn)為隨著流量的增大，人工渠道糙率呈對(duì)數(shù)趨勢(shì)減小，兩種結(jié)論恰恰相反。由此可見，當(dāng)前國(guó)內(nèi)有關(guān)人工渠道糙率變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律的研究尚無(wú)定論，探索糙率變動(dòng)規(guī)律也成為水力學(xué)的重要課題之一。

本文在對(duì)已有研究成果進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)新疆阿勒泰哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道均勻流糙率影響因素及變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)不同水力要素和糙率的關(guān)系加以探討。

1 渠道概況

新疆阿勒泰哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道位于新疆哈巴河縣齊巴爾鄉(xiāng)境內(nèi)，是為哈巴河縣冷水魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)供水而建設(shè)的攔河閘自流引水樞紐工程，渠道尺寸為2000 m×6.00 m×2.00 m（長(zhǎng)×寬×深）。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 流量與糙率的關(guān)系

明渠均勻流公式為：

曼寧公式為：

式中：Q 為渠道過(guò)水流量，m3/s；A 為渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；C 為謝才系數(shù)；R 為渠道斷面水力半徑，m；i 為渠道底坡；n 為糙率。

將渠道不同底坡所對(duì)應(yīng)的水深、流量值帶入式（3），便可求出不同底坡和流量下所對(duì)應(yīng)的糙率值，結(jié)果見表1。

表1 不同底坡和流量下的糙率 單位：10-3

根據(jù)表1 的計(jì)算結(jié)果繪制不同底坡條件下流量糙率（Q-n）關(guān)系曲線，具體見圖1。由1（a）圖可知，當(dāng)?shù)灼耰=0.0005、0.001和0.002 時(shí)，糙率n 隨流量Q 的增大而逐漸減小，表現(xiàn)為緩流；由圖2（b）可知，當(dāng)?shù)灼耰=0.004、0.006 和0.008 時(shí)，糙率n 起初隨流量Q 的增大而逐漸減小，當(dāng)達(dá)到某一點(diǎn)后又隨流量Q 的增大而呈增大趨勢(shì)，屬于急流；而在圖1（c）中，當(dāng)?shù)灼耰=0.01、0.02 和0.03 時(shí)，糙率n 隨流量Q 的增大而呈增大趨勢(shì)，表現(xiàn)為急流。

由此可見，流態(tài)是不同底坡條件下流量與糙率關(guān)系的主要影響因素，緩流情況下，糙率隨流量增大而呈減小趨勢(shì)。急流情況下，隨流量增大，糙率呈現(xiàn)出兩種變動(dòng)趨勢(shì)：隨流量的增大先是減小，達(dá)到某一點(diǎn)后再隨之增大；隨流量的增大而增大，具體屬于哪種情況與弗汝德數(shù)Fr 有關(guān)[2]。

圖1 不同底坡條件下流量糙率（Q-n）關(guān)系曲線

2.2 底坡與糙率的關(guān)系

繪制不同流量條件下的底坡糙率（i-n）關(guān)系曲線，具體見圖2，由圖可知，流量相同情況下，糙率隨底坡增大而增大。當(dāng)?shù)灼耰=0.0005、0.001 和0.002 時(shí)，糙率隨底坡變化速度較快，結(jié)合表1 可知，此為緩流流態(tài)；而當(dāng)?shù)灼耰=0.004、0.006、0.008、0.01、0.02 和0.03 時(shí)，糙率隨底坡變化較為緩慢，結(jié)合表1 判斷，為急流流態(tài)。可見，緩流渠道內(nèi)，糙率隨底坡變化速率較快，而急流渠道內(nèi)，糙率隨底坡變化速率較慢，且糙率不斷趨于某一常數(shù)。

圖2 不同流量條件下的底坡糙率（i-n）關(guān)系曲線

2.3 弗汝得數(shù)與糙率的關(guān)系

斷面流速均值與波速之比為弗汝得數(shù)Fr，即：

式中：α 為動(dòng)能調(diào)整系數(shù)，取α=1.0；v 為斷面流速均值，m/s；g 為重力加速度，取g=9.81 m/s2；h 為斷面水深均值，m。

弗汝德數(shù)所表征的物理意義是水流慣性力和重力之比，所以當(dāng)水流慣性力大于重力時(shí)，F(xiàn)r＞1，流態(tài)表現(xiàn)為急流；而當(dāng)重力大于水流慣性力時(shí)，F(xiàn)r＜1，流態(tài)為緩流；水流慣性力和重力相等時(shí)Fr=1，為臨界流。

將所測(cè)得的哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道流量、水深等數(shù)據(jù)帶入式（3）和（4）求得相同底坡條件下不同流量所對(duì)應(yīng)的糙率與Fr，具體結(jié)果見表2。

表2 相同底坡條件下不同流量所對(duì)應(yīng)的糙率值

由上表計(jì)算結(jié)果可知，相同底坡條件下，渠道的糙率隨弗汝德數(shù)Fr 的增大而減小，而且在底坡i 分別為0.0005、0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01、0.02 和0.03 時(shí)，糙率隨弗汝德數(shù)Fr 的變動(dòng)趨勢(shì)基本一致。

2.4 水深與糙率的關(guān)系

所測(cè)量出的哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道的底坡與流量不同情況下水深與糙率的取值情況見表3。

表3 相同底坡條件下不同水深所對(duì)應(yīng)的糙率值

根據(jù)表3 的計(jì)算結(jié)果，流態(tài)是影響哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道糙率與水深變化趨勢(shì)的主要因素，緩流流態(tài)下，糙率隨水深h 的增大而減小。急流流態(tài)下，當(dāng)弗汝德數(shù)Fr∈(1,1.5)時(shí)，糙率起初隨水深增大而減小，待水深達(dá)到某一高度后便會(huì)隨水深的增大而增大；當(dāng)弗汝德數(shù)Fr∈(1.5,3.0)時(shí)，糙率隨水深的增大而增大。可見，糙率與水深之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[3]。

3 結(jié)論

本文所進(jìn)行的阿勒泰哈巴河縣養(yǎng)殖渠人工渠道糙率的試驗(yàn)分析結(jié)果表明，流態(tài)是影響人工渠道糙率的主要因素，緩流時(shí)，糙率隨流量增大而減小；急流時(shí)，隨流量增大，糙率呈現(xiàn)出兩種變動(dòng)：一是隨流量增大先減小，達(dá)到某一點(diǎn)后再增大，二是隨流量的增大而增大，后者主要與弗汝德數(shù)Fr 的取值有關(guān)。此外，糙率的取值及變動(dòng)趨勢(shì)還與底坡、弗汝德數(shù)、水深等因素有關(guān)，流量相同情況下，糙率與底坡變動(dòng)方向基本一致，緩流渠道內(nèi)，糙率隨底坡變化速率較快，而急流渠道內(nèi)，糙率隨底坡變化速率較慢，而且糙率不斷趨于某一常數(shù)值。底坡相同條件下，糙率隨弗汝德數(shù)Fr 的增大而減小。