分段糙率法在水利工程中應用探討

【摘要】采用一個綜合糙率計算設計工程斷面水位流量關系普遍被采用，本文總結研究葉爾羌河上幾個水利工程設計后，探究出將綜合糙率分成幾段以便提高水位流量計算成果精度的方式。運用葉河上水文站和水利工程計算值與實測資料的對比分析，驗證了上述方法的有效性，供廣大同行借鑒。

【關鍵詞】糙率；水位流量；確定方法；復式斷面

引言

在水利工程設計中，新建的工程往往離有觀測資料的水文站較遠，在根據(jù)水利工程設計要求計算設計斷面天然河道的水位流量關系時，往往是根據(jù)實測大斷面和洪水調查資料，采用曼尼公式進行計算，而在計算過程中人們往往采用一個綜合糙率。筆者采用以上方法發(fā)現(xiàn)在擬定的水位流量關系與實測數(shù)據(jù)會有一定誤差，通過翻閱相關文獻和設計斷面實測數(shù)據(jù)分析研究驗證了以上方法的有效性，并分析出綜合糙率選擇的改進方法。

1、設計斷面水位流量確定

在水利工程的前期階段采用實測的縱橫斷面，根據(jù)不同水位計算出比降J、斷面面積A、水力半徑R等，根據(jù)河道的糙率n值表查找出相應河段的糙率，應用明渠均勻流的公式計算出水位流量關系。

隨著設計階段的深入，在設計斷面設立水尺對水位進行觀測，設立或采用現(xiàn)有水文站觀測流量，利用實測資料對計算成果進行修正。

2、實測數(shù)據(jù)對計算值驗證

采用以上方法發(fā)現(xiàn)計算的水位流量關系與實測數(shù)據(jù)會有一定誤差如圖1所示，糙率取0.03時高水部分吻合較好，糙率取0.04時中部吻合較好，而糙率取0.05時低水部分吻合較好。結合卡群水文站實測糙率在大斷面圖上分布可見糙率隨水位增大而減小。定量分析可見采用糙率0.03與0.05計算的相同流量在2000m3/s時水位相差0.9m，流量在3500m3/s時水位相差1.05m，流量在5200m3時水位相差1.2m。

圖1采用不同糙率計算卡群水文站的水位流量關系

筆者原以為誤差主要由測量誤差，比降誤差或計算造成，但翻閱相關文獻后發(fā)現(xiàn)：測量本身必然存在誤差，但水面比降難具代表性不僅是觀測誤差所致，而且同河流本身水面特性異常復雜有關；由于工程斷面的測量一般在枯水期進行，而洪水調查很難查找出不同流量級水位的比降，因此工程中一般采用水面比降或河底比降進行計算。

3、分析與比較

在工程應用中若處于前期規(guī)劃階段可直接采用中間的糙率計算成果，但隨著工程的深入及不同性質的工程，必須有較高精度計算成果。如阿爾塔什水庫工程，設計標準為百年一遇，所計算的水位處于斷面上的較高位置，該工程采用小糙率（0.03）基本可以反映處于較高水處的水位流量關系，但該工程還有生態(tài)電站，就要求為常年平均流量對應的水位。而葉爾羌河防洪工程時，設計標準為20年一遇洪水經(jīng)過阿爾塔什圍堰調蓄后，約相當于天然狀況下的4年一遇的情況，因此應采用大糙率，0.04-0.05才能反映中低水處的水位流量關系。

根據(jù)卡群水文站圖2中的橫斷面圖中可以明顯的發(fā)現(xiàn)水位在7m附近有一個邊灘，在9.5m附近是第二個灘地。根據(jù)河道的糙率n值表，可查出山區(qū)河流河床為礫石、卵石及少許孤石河段糙率取值約為0.03～0.05。低水位時床面的凹凸不平造成糙率較大，取較大值0.05進行水位流量計算；水位高出第一個灘地后，糙率減小，選用0.04；水位高出第二個灘地后，糙率更小，選用0.03。采用分段糙率計算并進行適當調整后成果見圖3，與圖1比較可見，采用分段糙率法后計算成果與實測資料的明顯接近，誤差值明顯較小。

4、糙率選擇方法改進后驗證

分段糙率方法的使用具體為：首先根據(jù)設計斷面實測的大橫斷面、現(xiàn)場照片及河流概況等資料，在河道的糙率n值表中查找出設計斷面的糙率取值范圍；然后根據(jù)實測的大橫斷面圖上邊灘水位的不同將糙率劃分成幾段，分別代入明渠均勻流的公式，計算出各段的水位流量關系；最后根據(jù)水位流量圖局部調整連接斷面，由于各段所采用糙率值不同，分段處出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，可徒手修勻，最后得所求工程設計斷面的水位流量關系。

以下舉例說明分段糙率的使用方法和計算成果：

阿爾塔什水利工程斷面的橫斷面測量成果見圖4，橫斷面圖中可以明顯的發(fā)現(xiàn)水位在4.8m附近有一個邊灘，在6.2m附近是第二個灘地。根據(jù)河道的糙率n值表，可查得河床為卵石、塊石組成，床面不平整底坡有凹凸狀的山區(qū)河段糙率取值約為0.04～0.08。根據(jù)兩個灘地的水位處改變糙率，首先是低水位時糙率取較大值0.08進行水位流量計算；水位高出第一個灘地后，糙率減小，選用中值0.07；水位高出第二個灘地后，糙率更小，選用小值0.05。采用分段糙率計算并進行適當調整后成果見圖 5，由采用分段糙率計算成果與實測資料的比較成果可見，誤差值較小。

5、結論

本文通過工程設計經(jīng)驗和實測資料分析計算，討論了采用一個糙率計算水位流量關系方法的合理性，發(fā)現(xiàn)該方法計算成果與實測值存在較大的誤差，分析其主要原因河槽的糙率變化，引入根據(jù)天然復式河道大橫斷面的特性，在水位漫上灘地時改變河道糙率的方法。采用大量資料計算的圖表表明，本文給出選擇糙率的方法，使得計算水位流量關系更接近實測數(shù)據(jù)，其計算成果明顯提高。

參考文獻：

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