淮河入江水道改道段綜合糙率分析研究

劉 松周維軍奚 斌張 瑾（.淮安市水利局 淮安 5009 .江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 揚州 5000 .揚州大學水利科學與工程學院 揚州 5009）

淮河入江水道改道段綜合糙率分析研究

劉 松1周維軍2奚 斌3張 瑾3
（1.淮安市水利局 淮安 225009 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 揚州 225000 3.揚州大學水利科學與工程學院 揚州 225009）

為了研究淮河入江水道改道段的葦草對其綜合糙率的影響，本文通過河工模型試驗采集了分析所需數據，利用資料提出的公式從流量、水位、水面覆蓋率三方面對其綜合糙率進行了計算分析。得出淮河入江水道改道段的綜合糙率隨著流量的增大而變小，隨著水深的增加而減小，隨著水面覆蓋率ki的增大而減小的規(guī)律。

淮河入江水道 糙率 葦草 淹沒度 研究

天然河道的漫灘上生長著各種植物，這些植物對水流運動有著不可忽視的影響。由于植被的存在，加大了河道的糙率，改變了河道水流的流態(tài)，影響著河道的行洪能力。對于以泄洪為主的河道，植被增加了水流阻力，增大了河床糙率，降低了水流流速，減小了河槽過水斷面，導致河道水位上升和泥沙淤積，不利于防洪。因此對生長葦草的泄洪河道糙率進行研究分析具有重要意義。

淮河入江水道1969年按行洪流量12000m3/s的標準設計時，全線采用0.025的綜合糙率，推算了沿程水位。1971年總體設計中，根據1971年行洪6000m3/s時測驗分析的糙率對沿程水位作了適當調整，以后一直將該設計水位沿用至今。1991年大水后實施的加固工程和2003年災后重建是按原設計水位加固堤防，基本上沒有涉及河道整治，也未調整設計水位和糙率。通過入江水道幾十年來的運行，行洪水位一直偏高，大水年份矛盾十分突出。

入江水道三河至高郵湖改道段長18km，灘地葦草長勢旺、密度大。經過10多年以耕代清，有效抑制了蘆柴生長，但大墩嶺、施尖灘等地勢較低的灘地，蘆柴長勢依然茂盛，對行洪仍有不容忽視的影響。據1990年、1991年、1996年、2003年汛期，中渡水位～流量關系曲線及金湖水位～流量關系曲線分析，中渡的水位與流量關系，在相同水位條件下，中渡洪峰流量比1971年設計減少了1000多m3/s左右。金湖測站水位與流量關系顯示1990年、1991年、1996年相同流量時，水位比1971年設計抬高近0.5m，2003年在三河閘下泄8300m3/s左右時，金湖測站水位穩(wěn)定在11.96m左右，考慮區(qū)間來水，水位抬高在0.6m左右，相當于減少行洪流量近2000多m3/s，與1996年趨勢基本一致。

圖1 現(xiàn)狀工況西側站點水位-流量關系線

1 模型試驗研究

為了對淮河入江水道改道段的糙率進行研究，制作了水平比尺1500，垂直比尺50，變率為30的河工模型。

1.1 灘地葦草模擬

河灘葦草現(xiàn)狀工況試驗，首先在無草工況的模型上，對照地形圖在模型上相應位置種植模擬葦草，并對照衛(wèi)星圖和現(xiàn)場調查資料進行修正，然后模型通水進行糙度的驗證試驗。驗證選取了2008年8月3日實測流量6400 m3/s時15個站點水位資料作為糙度控制的校驗參數，因為該時段葦草狀況、地貌等與目前淮河入江水道（上段）金湖段現(xiàn)狀相似度大，時間也接近，因而作為校驗現(xiàn)狀的參數指標。

通過多次在模型上模擬葦草密度糙度等的調整修改試驗，最終得到了與原型實測流量6400 m3/s時15個站點水位較一致模型水位，即此時模型糙度達到了葦草現(xiàn)狀工況時的模型糙度。為了保證該工況下試驗數據的可靠，對此流量下河道糙度通過量測水位流量關系進行了兩次復核。使模型葦草工況的模擬糙度是與原型現(xiàn)狀相一致。

1.2 灘地葦草工況試驗

在灘地葦草現(xiàn)狀模擬好的基礎上按4個特征流量和對應的下游廟溝測站水位分別進行了過流試驗，量測了各流量對應的15個站點水位。

根據量測水位數據繪出淮河入江水道改道段東、西兩側站點水位與流量的關系線，分別見圖1和圖2。從圖中可以看出，各站點水位在6000～8000m3/s時增速較快，分析認為過流6000m3/s以下時，水流以東、西偏泓過流為主，灘地過流為輔；過流6000～8000m3/s時，水流轉為東、西偏泓和灘地共同過流為主，這時由于灘地葦草等阻力較大，水位上升較快；過流8000～12000 m3/s時，葦草淹沒，過流斷面水面寬度也有一定增加，所以水位上升速度平緩。

由圖1、2可以看出，灘地葦草現(xiàn)狀工況，一些站點水位在中流量（6000～9000 m3/s）時超出設計水位，原因是葦草使得河道糙率的增加，水位升高。

圖2 現(xiàn)狀工況東側站點水位-流量關系線

2 葦草對河道糙率影響的分析

由于模型試驗范圍較大，而且不是全部河道都有葦草覆蓋。為方便研究，取金湖測站下游的測站點數據進行詳細研究。早期人們研究植被河道水流阻力關系時考慮了植被的形狀阻力，也考慮到了流量大小不同時植被對水流阻力的影響。如韓璐將流量概化為小流量、中流量、大流量三種：小流量即水深小于植被的高度，也就是非淹沒狀態(tài)；中流量即水深和植被高度相仿，水流漫過植被冠層；大流量即水深超過植被高度。由于中流量的情況阻力受到的影響因子很復雜，特別是植被的倒伏狀態(tài)對水流阻力的影響,還不能定量研究。因此本文僅以小流量和大流量的情況為例，探討植被對水流阻力的影響。利用資料中的如下公式（1）和公式（2）對淮河入江水道改道段的綜合糙率進行分析，綜合糙率通過壁面糙率來表示，壁面糙率認為是灘地無葦工況的糙率。

2.1 植被未淹沒情況綜合糙率公式

式中：nb—壁面糙率；

CD—植被的阻力系數；

AP—蘆葦覆蓋水體的俯視面積；

L—為所取隔離體的長度；

圖3 流量-糙率關系

圖4 葦草現(xiàn)狀工況糙率-水深關系

圖5 現(xiàn)狀工況綜合糙率和水面覆蓋率Ki關系曲線

Ai—第i棵植被沿水流方向的正面面積，即阻水面積；

R—水力半徑；

H—水深；

B—河寬。

從公式（1）可以得出，綜合糙率n隨有植被覆蓋區(qū)域植被密度的平方根、水面植被覆蓋率的平方根以及水力半徑的2/3方成正比，底坡i對其沒有影響。

2.2 植被淹沒情況綜合糙率公式

式中：h—葦草高度。

其表現(xiàn)形式與植被未淹沒情況相似。n隨有植被覆蓋區(qū)域植被密度的平方根、水面植被覆蓋率的平方根以及水力半徑的2/3方成正比，底坡i對其沒有影響。但是也有區(qū)別，在同樣條件植被淹沒情況下，要比未淹沒情況的綜合糙率偏小。

根據以上公式和淮河入江水道改道段的綜合糙率的分析需要，選取計算斷面，斷面選取力求選取測站點所在的斷面，其次距離測站點很近的斷面，若測站點在兩個斷面之間，則取兩個斷面的平均值。將所選取的斷面按照比例擴大成實際的尺寸，實測資料從各測站獲得，保證其真實性和準確性，以此作為依據計算改道段糙率。再在確定的斷面上量取過水斷面面積和濕周。

表1 現(xiàn)狀工況葦草水面覆蓋率和糙率計算值

2.3 糙率—流量關系

根據試驗資料，對各流量在現(xiàn)狀工況下葦草淹沒情況進行分析，并計算出其對應的糙率，不同流量下糙率隨流量的變化見圖3。由圖3可以看出，葦草現(xiàn)狀工況的葦草綜合糙率隨著流量的增大而減小。究其原因，是由于隨著流量的增加水深加大，葦草對糙率影響相對減小。

2.4 糙率—水深關系

根據試驗資料，對各流量在現(xiàn)狀工況下葦草淹沒情況進行分析，并計算出其對應的糙率，對各流量在現(xiàn)狀工況下對應的水深與糙率關系進行數據分析，糙率隨水深的變化見圖4。

由圖4可以看出，糙率隨著水深的增加而減小，這是由于水深增加，葦草對過流影響減小，糙率相對減小。

2.5 糙率和水面覆蓋率Ki之間的關系

根據試驗數據，對各流量在現(xiàn)狀工況下葦草淹沒情況進行分析，并計算出其對應的糙率，同時通過試驗平面圖和衛(wèi)星云圖計算出水面覆蓋率，計算值如表1。

從表1可以看出，葦草現(xiàn)狀工況，隨著水面覆蓋率Ki的增大，糙率計算值逐漸變小。圖5也可以看出水面覆蓋率Ki和糙率計算值成反比。

水面覆蓋率Ki和糙率計算值成反比。這是由于水面覆蓋率大，葦草占據河道的面積就小，對過流產生的影響小，河道糙率就小。

3 結語

淮河入江水道改道段因為河道的岸灘和主槽床面上有植被，對河道過流會產生不利的影響：一方面，植物的存在增大了對水流的阻力，使河道的水位升高，減小了河道的過流能力；另一方面，植物的存在影響著水流結構，并且控制著泥沙的輸運。研究表明淮河入江水道改道段綜合糙率隨著流量的增大而變??；隨著水深的增加而減??；隨著水面覆蓋率Ki的增大而減??；對比同一流量，隨著葦草密度的增大糙率增大