庫威水文站河流糙率分析及應用

徐 偉

(新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500)

1 問題的提出

河流糙率是反映河段形態、河床面粗糙程度影響水流流態的阻力系數，對于天然河段而言無均勻流條件，所以糙率分析通常以天然河道單一形態河段為基本點。一般水文站河段因近似滿足均勻流公式，所計算出的單斷面糙率結果精度較差，不具代表性。根據相關研究，由于不同河段實際條件并不相同，在分析和計算天然河道河段糙率時，必須將河道平面形態、斷面幾何形式等均考慮其中。就斷面幾何形態這個因素而言，其不只作用于一個斷面，而是在一個相當長的河段內影響河道糙率。與此同時，從單河段出發對所確定的斷面流速不均勻系數及局部損失系數進行比較，也表明在天然河道沿程損失規律分析的過程中必須要考慮河道平面形態和斷面幾何形式等因素。此外，采用曼寧公式進行分析時，其中的水力半徑R(通常用平均水深代替)、河道比降I、斷面水流流速V等參數的變化不僅受河床粗糙程度的影響，還與河道平面形態、斷面幾何形式等有關。據此，在進行天然河道糙率確定時必須全面定義，通過探求河道糙率變動趨勢規律選擇適應的糙率計算公式，以增強糙率取值的代表性和應用方面的精度價值。

額爾齊斯河河源區卡依爾特斯河流域位于額爾齊斯河正源以西，為額河一級支流，流域在阿爾泰山中段以南，且呈南低北高態勢，流域海拔最高3851.2m，最低為1416.8m，流域集水面積2534.6km2。卡依爾特斯河流主要為沙壤土質，土壤層分布較淺，且地表植被覆蓋率較高，陽坡主要為灌木叢和草地，陰坡則為森林。流域內冬季最低溫度可低至-49.5℃，且11月-次年4月期間流域為雪季，歷年最大積雪深度可達1.2m及以上。流域內洪水過程通常出現在5-7月，其中6月徑流量最大；10月-次年4月期間流域主要處于枯水期。近年來，在全球氣候變暖、人類活動等因素的綜合影響下，流域內冰川積雪消融過程明顯提前，尤其是5月份徑流量呈明顯增大趨勢。卡依爾特斯河流域庫威國家基本水文站是中科院寒區旱區與工程研究所于2011年8月所建立的積雪-凍土-水文綜合觀測場站，主要觀測項目包括溫濕度、風速、風向、降水等，其完善的水文要素觀測體系為文章分析提供了充足的數據資料。

2 糙率計算方法

水力學將水流分為穩定流和不穩定流等情況，穩定流又包括均勻流和非均勻流兩種。結合庫威水文站歷年水文觀測資料，其歷年洪峰峰頂水位-流量關系呈現出明顯的單一曲線形態，故可將其洪峰峰頂持續時間內水位近似視為平穩狀態，即為穩定流，從而進行流域均勻流和非均勻流兩種流態下河道斷面糙率的分析。

河道單斷面糙率值按下式確定：

(1)

不考慮局部損失的河段糙率值按下式確定：

(2)

考慮局部損失的河段糙率值按下式確定：

(3)

3 糙率規律及精度分析

河段及斷面糙率是比降-面積法推流過程中結果精確度的控制性參數，在具體分析中，糙率取值之差往往會引起4.0%甚至更大的誤差，而無法達到實際應用過程中對糙率精度的要求，為保證糙率取值的精確度，文章必須進行河段糙率變動趨勢規律的分析。通過對庫威水文站2011年8月建站觀測以來-2020年年底水文資料的分析，糙率均受到河床粗糙程度、河道平面形態、岸壁特性、斷面幾何形式等多因素的綜合作用，且對于不同河道和斷面各類因素主次作用不同，文章取測次較多的單河段水文資料并采用式(1)-(3)進行河段水深均值、寬深比、比降、糙率等的計算(結果見表1)，并根據計算結果進行上述因素影響河段糙率程度的分析。

表1 庫威水文站測次較多的單河段糙率計算結果

表2 庫威水文站定線法對比誤差

根據以上分析，單斷面糙率和根據河段特性所求得的糙率存在一定程度的誤差，且單斷面計算僅適用于分析河段為均勻流的情況，對于非均勻流河段則無法通過單斷面結果予以反映，應根據河段特性進行糙率計算。可見，水文計算中常采用的單斷面糙率值的計算精度有待商榷，對于順直且無明顯流態變化的天然河段是否考慮局部損失的糙率值并無多大差異，其局部損失可以忽略不計，但是，對于因彎道、深潭等較多、局部損失較大的河段，必須考慮局部損失。

4 各參算要素測驗誤差的消除及新糙率推求

4.1 水面比降測驗誤差的定線消除

對于邊界條件穩定的天然河道同水位的水面比降為常數，但因實測比降資料缺乏精度，其點據分布往往較為散亂，為此，文章點繪水位-比降關系曲線(見圖1)并通過常規方法定線以消除比降觀測結果的隨機誤差，并用消除測驗誤差后的水面比降(表3)替代實測比降值，避免糙率計算過程中比降資料誤差的傳遞[2]。

圖1 庫威水文站實測水位-比降關系曲線

4.2 流速、面積及水面寬測驗誤差的定線消除

根據相關結果，天然河道具有較好的水位-流速關系，考慮到庫威水文站河床穩定性好，歷年水文資料所顯示的沖淤變化并不大，根據所點繪的水位-面積、水位-水面寬等關系曲線(圖2-圖4)發現，其線性關系較好。同樣采用常規方法定線以消除觀測結果隨機誤差后的流速、面積、水面寬值見表3。

圖2 庫威水文站實測水位-面積關系曲線

圖3 庫威水文站實測水位-流速關系曲線

圖4 庫威水文站實測水位-水面寬關系曲線

4.3 新糙率的推求

將通過常規方法定線以消除隨機測驗誤差后的各參算要素取值帶入曼寧公式可求得消除測驗誤差后的新糙率，結果見表3，新糙率取值與原糙率誤差完全滿足水文規范中比降-面積法所推算糙率精度要求[3]。

表3 各參算要素測驗誤差的消除及新糙率推求

5 結 論

由文章分析結果表明，在諸多客觀因素的影響下，天然河流比降觀測結果精度不高且不具代表性，主要原因在于一般水文站河段比降段長度不夠，影響比降精度，且在非穩定流情況下進行比降觀測，會因觀測時間和方法方面的差異而引發比降觀測結果的較大誤差。基于此文章通過常規方法定線進行了各參算要素測驗誤差的消除及新糙率推求，結果表明，比降-面積法具有較強的試用價值，且通過文章所提出的消除測驗誤差的方法能顯著提升比降-面積法的應用精度和實用價值。