潮汐河段糙率n的计算分析

GUANGDONG WATERRESOURCESAND HYDROPOWER

广东水利水电

No. 8

Aug. 2018

潮汐河段糙率！的计算分析

夏明嫣

(扬州大学水利及能源动力工程学院，江苏扬州225009)

摘要：针对平原河道糙率计算方法，探讨受潮汐影响的宽浅河段糙率计算。以长江河口段为例，分析潮周期内流量变

化过程以及流速沿水深分布特征，选取落潮稳定时段，利用流速垂线分布特征及Einsten断面综合糙率计算方法计算河 道糙率。利用明渠非恒定流圣维南方程，推算涨落潮历时过程中计算河段逐时河道糙率'，分析非恒定流量变化 对糙率影响，反映了潮汐河段河道糙率变化特征，分析其落潮过程中，随水位降落洲滩水深植被等影响下河道糙率的变 化情况，采用落潮稳定期天然实测资料，进行代表性断面测点垂线流速分布特征，综合糙率计算法和河道水力计算推求 糙率法，分析确定河道糙率。

关键词：河道糙率；潮汐河段；非恒定流；水力计算；垂线流速分布特征中图分类号：

TV143 + .5

文献标识码

：A

文章编号：1008 -0112(2018)08 -0032 -04

1概述

河道糖率是河道水力学中基本参数，反映了沿断

线流速分布计算出摩阻流速

Bt，对应该处糙率单元

B ;1/6

可得：'=^^，对于宽浅河段单元糖率计算水力半

面湿周河道粗糖程度的情况，是工程设计和水工试验 中河床糖率计算时常常遇到的问题。一般来说，糙率 与河床断面湿周表面粗糖度及流量、水深等因素有关， 且河道断面如冲积床面泥沙特性、滩地和河岸覆盖情 况各不相同，往往需要计算河床全断面的当量糙率， 可见，河道断面糙率是一个综合系数。

1)

C槡径可取水深D。

3)

对于床面为沙质河床，Strickter，张有龄等

究表明，这种单一糙率单元的沙质河床糙率'=1@10，式中#为经验系数，@75为河床泥沙粒径。

4)

早在18世纪中后期，在总结人工明渠和小型 针对天然复杂河道断面，不同的糙率湿周

河道实测资料的基础上，形成了水力学计算中常用的 明渠均勻流谢才公式，计算单一河道糙率单元的河床 糙率，谢才系数

元，通过相关假定前人提出了多种河道断面综合糙率 计算方法[2-4]，Hoton假定断面各糙率单元流速和断 面平均流速相等，首先提出了河道断面综合糙率计算公式：《 = [

C

由曼宁公式计算，由此可得/ '=

f：10。其中，7为断面流量，A为断面面积；并总$Ppn]3/1 f

3,其中

F

，为各糙率单元

结一般人工明渠和天然河道单一断面特性的粗糖程度， 给出了实用的糙率参考值[1]。

2) 从床面阻力对水流流速分布特性影响分析，床面切应力：'=

的湿周和糖率，F为断面总湿周，W为糖率单元总数，

EMGe和Banks假定断面总阻力为各糙率单元阻力之

和，水力半径相同且等于断面水力半径，由此给出了

$ 2 10

Ep

pB\"=pg;/=pg!，由此，C:^2，C

河道断面综合糙率计算公式：'=[^$%丨。

为垂线平均流速，为床面摩阻流速。河道垂线流速

5)对于明渠恒定非均勻流河道水力计算，文献 [1]水力学中给出了计算河段河道断面1到断面2之 间河道糙率'的计算方法：

分布一般可用指数或对数分布来表征，对于明渠均勻流对数流速垂线分布式：%_ ^ = 1 1!1(#1)，式中

为最大流速，B为垂线水深#处流速，可根据垂

Utk

7

G1 ~g2 - 1 /(

[ 2gAx\\

gQ2) 1(!Q2)

「⑴A2^AT)

收稿日期：2018 -04 -09;修回日期：2018 -05 -26

作者简介：夏明嫣（1996 -)，女，本科，主要从事水利工程研究工作。-32 -

2018年8月第8期

夏明嫣！潮汐河段糙率'的计算分析

No. 8 Aug. 2018

分汊复式型态，

式中

G 游断面水位，G

速度，

游断面水位；A为；A为计算河 为计算河

-，

计算河道浅滩较多，河道断 分析河道断面特性， 算出河道断

2

游断 均断 一般条

，A

，g为重

，断

游断 代性典型断面，计

断面1表现

水位关系，分析

修 数，！）1.05,7为断

深型，且在-3 m左右出

点，河槽加宽，面

2河 的宽

1流量，7:为断：流量。针

江下游宽浅河道，河床断

复

槽

较复

随水深增速加快，河床断面呈复式型态。断 槽宽浅，和断面引 河道断

河道

19

， 水位关系没有

杂，且水流 河道断

，河道糙率受

，本

折拐点（见图3\"，85高程0 m

计算河段

程度及不同流量、水深等因

般在5. 5〜9. 5 x 10> m2之间。率的影响，理论上认为，河道比降与

文依据天然实测资料，计算 河段河床糙率，

分析河床糙率的主要

因素。为工程设计和水工试

河道断

量或综合糙率。

2

计算河段河道断面及潮汐水流特征

文计算河

河

， 河位于江下游河口段（见图1所示\"，江

六径全长约为88 km，

流界变动区[5—6]，

口断面宽约为

1.4 km，最宽约为9 km，出口段徐六径断面宽约为4.3

km。计算河

每天两涨两落，且 等，

规则半日潮型，

时约为3.5 h，落潮

时约为9.5h(见图2\"， 1E〜：.0m，最

大 达4 m。断流量过程 落 程断

复流动流量 程，河道水流 态

，落 流、

流、 落 流和落 落流不同水位流速 。而落

程中高

3 h

，断流量随时间 较小，这时间主要表现为水位

落，

落

（见图2所示\"。

图1计算河段示意

率取值是没有直接关系的。相 落

，据统计计算河段落

向水

和落潮流量 相关关

，随着落潮流量的增大， 有

大，据计算河

段实测资料统计，对应流量20 000〜130 000 m3/s，计 算河段水 般在1 5〜4.5 X10—5之间（见图4

示\"。

通州沙河段典型断面1

A~Z关系

1

6 1n1

2 /aM

图3

典型断面面积和水位变化关系

3

潮汐河道糙率计算分析

江下游滩槽分布的宽浅河道，受径流

>同作用， 分析河槽床面的 程度

，

率

计算

，针 同的水流

，根据实测水文资料，

复流特征，分别

落急时

流水

计算，本文针对代表性断面综合糙率和计算河

：

率

分析计算。

1\"代性断面综合糙率计算法

采用天然实测水文资料，根据测量断面上流速垂

• 33 -

2018年8月第8期广东水利水电

No. 8 Aug. 2018

有深水区测点

性较大

分布特征， 析计算断 '=[

1 示

]落

数流速分布规律推求点糙率，分特性

0.016〜0.03，既有浅 ，反应，根据

，由

Einsten河道断面综合糙率：

代表性断面测点流速测量分

计算方法计算断面综合f造率。

Einsten河道断面综合糙率计算法，计算得出代表性断

面1综合糙率在0.019左0.018 〜0.023。

2\"河道水力计算法

，而断

2综合糙率为

，涨落流速沿

2.5h

分

分布见图5所

符合落 大

，其中5〜7时点

数流速分布特征，而高

落

流速分布，出

，，分

依据圣维南动量方程组计算公式：)

+ J =0

水位 ，而流速大小及

dQ n

⑵基 数流速分布特性，

流速大小

般

在5A

。

主soII 1

soII 3答t一 5 = so 7二9…

so 二

1i |I 113

is-I0.5

u/u

1 1.5

图5各时刻流速垂线分布

r]

点:点:5□点'

l

!

■对(/U)

0■对坆(2■对玫(3」对坆

(4

)

~T

10 100

图+

落潮稳定期对数流速分布特征

由于河道地形地貌和河床质的组成结构是既定的， 河床的糙率

流速分布产生

，主要表现

层流速对数分布特征。 代点流速

分布特性分析， 河流速分 单 型和复合型分布， 高

2.5h

落 宽浅河道流速 分 基 符合 数分

，

水深 分

流速分 流速为特征流速的表征

流速

分布，

士[S(含）-1]，根据天然实测多层流

速值先计算出垂线平均流速值C从图6半对数分布 图线性分析计算得B\"，

数取0.左

，由

B d1 /6

公式'=^C^可计算糙率值，即可计算出落潮稳定 槡期河床糙率'，洪枯季多次测量资料计算河床糙率'• 34 -

)Ldt + )dx(Q

&QH7

\"=0

⑶

式中

g为水位；&为计算河道方向距离；a为动能修

正系数；£为时间；[为断面流量系数，H=

AC槡；。

连续性方程（2) 河道过水 随时间的变

化率与流量随位置的变化率之和为0, )dx

<0说明计

算河段槽蓄量增加，水位抬升；)x

>0说明河段槽蓄

量 ， 水位 ， 河道 落 。量方程（3)，若 流条

，

流河道水力计算，

流量系数计算公式

代入方程 断面1到断 2的水力计算糙率公式

(1)。考虑到非恒定流量随时间变化项)

x，针对河道

断面1到断面2的水力计算公式（1\"

:

& -么2

1 /(aQ2)1 (aQ2)2、 AQ2

:音#

[(2gA& A

A

2) =

gQ]

(>)(4)和

（1)相，非恒定流量随时间

，相邻断 断面的流量

Q1，Q2。其中式（4)中

一

项g

gAAt

A为流量非恒定项，其算法如图7所示。 图7非恒定项随时间变化项计算示意

AQ

(Q>+Q'1)

(Q2 + Q1 )

2

(5)

AQ为计算时间点流量随时间

。At时段

的选择整点

的计算河道实测水文资料，本文

：

江河口

季实测水文资料分析

，分析计

2018年8月第8期夏明嫣！潮汐河段糙率'的计算分析

No. 8 Aug. 2018

算河段断面特征，划分若干合适计算河段， 水位流量资料，分析河 算水 关

流量关系，

实测河道计

糙率计算公式（4)得出的河段糙率值增大趋势。而高平潮2.5 h后落潮稳定期(?）0,根据糙率计算公式(4)退

， 落

基本在0.018〜0.024。

，

由

流糙率计算 计算 率

（1)，从计算大，

率 '

，根据逐时水位流量资料，由断面水位面 计算断

，

流计算方落时流量的相对率的

特征，分析

1

法见式(4)(5)计算河道糙率。由此， 水力计算，分析河道糙率'与断 关系，

河道断面型态及来流条

复流

（见图9所示）。

程中，流量增大，水位

，落 ，计算糙率变

较

，：

落，流量小， 率较大，水位

(见图8所示）。针 条件糙率'的

程中，流量减小 大，

季流量

较大，河道型态

0.05—

0.04_Ac 0.03—

:A A

△

厶

A 1 &0.02AA B A71 AL0.01A A

A .，

&A

1 &

，

0

1

dQ2

3

4

at图9涨落潮期计算糙率和流量时间变化值关系

图8反应了计算洪枯季不同潮落潮期河段糙率' 和断面流量相对关系，可见，随着断面流量的 ，

计算河段河床糙率相

小，糙率从0. 014〜0. 036，

深型断面1， 率计算值相对较小且

大，

在0.018左和

Einsten综合糙率计算法基

致

。复

断面2，由 浅

，断随水深

较大

等因

，糙率计算

大

。其中，当流量大于

90 000 m3/s计算河段江中浅滩水深可达5 m以上，河

床总体糙率有所下降，当落潮流量40 000 m3/s左右，

江中浅滩水深浅且有 水作用，河道型态

增

大

，河道计算糙率

大

。

图9

圣南动量方程动量方程中非恒定项

对河段糙率计算的影响，涨落潮过程中涨潮期流量

较

，

特性 的 流速 分符合对数流速分布特性，

的

计算糙率 大，

水力计算中糙率计算的 。由此可见，

江游

河

，

实测水文资料推求河道糙率，

和转流期

间流量水位随时间变化较大， 因子 ，糙率计算

大。

落

条

流量、水

位、断面等因子随时间变化的 因素，根据长江下游河口段不同径流

同作用水

特性，宜采落潮时分析确定河道水

、流量和流速以及对

的水位断面等相

水力因子条

计算，并参

时段内测流断面，代表性实测流速点流速 分布

特征分析及断面综合縫率计算法和明渠河道水力计算推

法，综合分析确定计算河段f造率'。4

河道糙率是水工设计和模型试验相关水力计算中

重要的基

数。本文针

的宽浅河段，江河口 ，分析

流量

程，选

相 时段，分析计算河 随流量的、以及断

随水位

特征。

渠

流圣维南方程给出 河道糙率'计算方法，分析

：恒

流量 d7/d?

率

， 河流量水位

河道糙率'计算

的 趋势，^

大趋 。 高

3 h

流速

分 符合

数分布特征，河道流量、水 水力计算因子在计 算河道内相

较小，

落

程推算

河道糙率'，计算 河道断面复杂型态在不

同流量水位条 ，河床糙率'

趋

。可见，采

落

流速 分布特征分析及断面综合糙率

计算法和河流水力计算推 法计算河道糙率，可供相关设计和水工模型试

使用。

文献：[1]吴

•水力学（第五版）[M].北京：高等教育出版

社，2016.[2]

程 进豪，安连华.黄河山东段河床糙率分析[J].水利学 报，1997(1): 39 -43.

(下转第 页）

• 35 -

2018年8月第8期广东水利水电

No. 8 Aug. 2018

Key Construction Techniques for Diversion System of Lechang Gorge Hydro-Jjunction

LINZhihong, WANGTing, QUSheng Jue

(Guangdong Lechang Gorge Hydro-Junction Administrative Office # Lechang 512200 # China)

Abstract / The water

diversion systemof Lechang gorge hydro-junction is mainly divided into the water inlet tunnel project. Many construction projects and the structure are complex. This paper focuses on the key parts, special parts and unhealthy geological defects. It has strong practicality. The constructirequirements. The water diversion system has been running for many years and the working condition Keywords: Lechang Gorge; water diversion system; construction technology

(上接第35页）

[3]何 国花.工程设计中洪水糙率'的选取[J].山西交通科 技，2006(5): 62 -63.[4]杨 克君，曹叔尤，刘兴年.复式河槽综合糙率计算方法

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李建镛.长江大通~徐六径河段水沙特性及河床演变研

究[D].南京：河海大学，2007.

[6]夏云峰，闻云呈，徐华，等.长江河口段水沙运动及河

床演变[M].北京：人民交通出版社股份有限公

司，2015.

(本文责任编辑王瑞兰）

Calculation and Analysis of Roughness in Tidal Reach

XIA Mingyan

(The College of Hydraulic Science and Engineering， Yangzhou University，Yangzliou 225009，China )

Abstract: The

roughness rate of river course is an important basic parameter in hydraulic calculation of hydrauland model test. In this paper，based on the method of calculating the roughness of plain channel，the roughness affected by tides is discussed. Taking the estuary section of the Yangtze River as an example， the flow change process and the distribution characteristics of flow velocity along the depth of water are analyzed. Stable ebb period is selected as research example，using the velocity characteristics of vertical distribution and comprehensive roughness calculation method of Einsten section to calculate the river roughness. Using the unsteady flow of open channel saint - venant equation，the hourly channel tidal process. The influence of unsteady flow change dQ/dt on roughness rate is analyzed，which reflects thof roughness rate in tidal channel. The variation of river roughness under the influence of water level，water other factors in the process of the ebb is analyzed. Based on the measured data of the steady period of the ebb tide， the comprehensive roughness rate calculation method of the velocity distribution characteristics of the vertical line at the measuring point of the section and the hydraulic calculation and deductive roughness rate method of the river the roughness rate of the river.Keywords: river roughness; tidal reach; unsteady flow; hydraulic calculation; vertical velocity distribution characteristics

• -