陕西省宝鸡水文水资源勘测局 陕西宝鸡 721006
摘要：本文通过采用能量方程来考虑流速水头变化和扣除局部损失推求糙率，同时采用水面比降代入曼宁公式中，从实测资料中来反求糙率，两种方法进行对比分析，得出结论，符合糙率的涵义；经过分析，此方法应用于天然河道糙率的推求，具有一定作用。
关键词：能量方程；糙率推求；应用
天然河道糙率是估算洪峰流量及在其他水文分析中的一个重要参数。若不考虑水流流态和边界情况，一般用水面比降代入曼宁公式，用实测资料来反求，将一切影响水流的因素归并在内，以致分析的糙率缺乏规律，精度不高。如何正确去理解糙率的实质及影响它的因素，并根据不同流态和水流边界条件，采用恰当的方法来分析，是本文所要探讨的。
1、河道糙率的涵义和影响它的因素
糙率就其原义来讲，是衡量河道边壁粗糙程度对水流影响的一个系数。从水流运动来看水流向前推动，能量不断损失，一般又可分为沿程损失和局部阻力损失。沿程损失决定于水流边界粗糙程度和流态，对于天然河流来讲，都属于充分紊流。在此条件下，沿程损失只与相对糙率有关。水流周界表面越粗糙，沿程损失越大，反之则小。以此衡量河流床壁粗糙程度对水流影响的糙率，实质上是反映沿程摩阻损失的一个系数。至于把过水断面形状、大小和底坡沿程变化，以及深潭、急滩、弯道等等造成的局部损失，与沿程损失合并来求糙率，结果不但使糙率涵义不清，分析成果关系往往散乱，精度低。且因各个河段情况不一，无一定规律可循，给综合归纳和实际引用带来很多困难。因此不宜用这种合并处理的方法来分析糙率。影响糙率的因素，主要是床壁材料的组成（如泥沙、卵石、天然岩石），以及各种材料的粗细构成，床壁表面平整程度，包括植物生长情况等。
关于水深对糙率的影响，尚有争议，不过一般来说，低水位时水深小，床面凹凸度占水深比例相对较大，对水流影响也大。另外阻力大小跟水流与河床的接触面有关。在同一断面中，水位低多属于宽浅式河槽，接触面积相对较大。但随着水深的增加，湿周的增率是逐渐减小的，或者趋于不变。因此河床壁组成等情况如无特殊改变，糙率的变化是随着水深的增加而减小，当达到某一水位后，会相对稳定变化很小。对于天然河道来说，各级水位的河床组成，植物生长情况也不一致，因此反映各级水位下河段平均粗糙程度也有不同，所以水深往往可以间接的反映这种变化。
2、用实测资料反求糙率及应用公式
糙率是一个反映沿程损失的系数，那么从实测资料中反求，也只能采用沿程损失。当水流为恒定均匀流时，水深、流速沿程不变，水面比降等于能面波降，能量全系沿程损失，此时可以直接用水面比降代入曼宁公式中，从实测资料中来反求糙率。但天然河流中很难出现恒定均匀流。天然河流多属非恒定流，只有在洪峰出现的短时间内和水位平稳时，流量不随时间变化，才认为是恒定流。又因为天然河道不是弯曲，就是滩潭相连，或者是断面形状和面积大小沿程不断变化，引起水深流速沿程变化，形成恒定非均匀流。在此情况下，能量损失中不仅有沿程损失，而且还存在局部损失，此时不能直接用曼宁公式采用水面比降来反求糙率，必须用能量方程来处理流速水头变化和局部损失，达到用沿程损失来求糙率。
能量方程如下：
在天然河道中，仅因面积扩散或收缩而产生恒定非均匀流时，可用上式反算糙率。其中§在顺直渐次扩散段，其值介于0.3～0.5之间，常取0.5；较顺直的收缩段，水流不发生回流，局部损失可忽略，取§=0；有条件时，根据实际情况，尽可能对§值进行分析论证。
3、分析断面和资料选用
天然河流很难出现均匀流，从实测资料中反求糙率，常只能利用恒定非均匀流。对于弯道、卡口等造成的局部损失，目前还没有合理的计算式，故分析糙率应避免在这些河段上进行；非恒定流情况复杂，很难通过实测资料反求糙率。考虑流速水头变化和扣除局部损失，也只能处理因面积扩散和收缩问题。故对于分析断面、断面水流形态和断面收集资料的选择注意以下几点：
3.1选择分析的河段应基本顺直，断面形状沿程基本相似，河床稳定，冲於变化不大，无急滩、深潭；河底平均坡降无大的转折点；不受变动回水影响。
3.2分析资料中水位代表性至关重要；上、中、下三个比降断面都应设立水尺，水位流量关系良好；天然河道小局部范围地形凹凸不平，在这些河段设立水尺时应注意，水位代表性不好，就无法开展试验分析。
3.3为了满足恒定流这一条件，资料应选择各级水位大小洪峰峰顶测流起止水位无变化或变化很小的测点，作为分析的基本资料。选择的实测流量、水位、比降和面积等各项数据，要经过合理性检查分析；尽量减少测验、计算等人为误差的干扰。
4、糙率分析
由于天然河流中的各种影响因素，不仅沿程可能有变化，就是在同一断面的各级水位下，因各种因素不同，糙率也不同；糙率随着各级水位下各种影响的变化而变化。在较宽的河滩河段，漫滩后，由于槽、滩水流互相干扰，糙率会增大。现以林家村水文站多年的实测资料进行分析。
4.1林家村水文站概况
林家村水文站设立于1934年5月，原名太寅水文站，现位于宝鸡市金台区硖石镇林家村，地处东经107°03′、北纬34°23′，集水面积30661km2，距河口388km。本站系渭河中游干流控制站，属国家重要水文站。设站目的是收集渭河干流基本水文信息，为国家防总、省防办、宝鸡市及下游各防汛部门提供重要水文情报预报信息，为水资源水环境开发利用提供服务。
4.2河道断面情况
本站测验河段顺直，断面形状和河床边壁沿程无大的变化，河底连山石基岩变化均匀，左右岸均为人工提防，河床由基岩和沙卵石组成；测验河段共布设上、中、下三个比降断面，中断面设立直立式水尺12支，上下比降断面共设直立水尺各11支；流速仪测流断面兼浮标中断面，上下比降断面间距200m。见图（1）
图1林家村水文站断面平面图
图2
又在该河段断面选择了部分洪水涨水和落水的点子，测流开始和终了水位有变化，而且同样考虑流速水头变化，扣除了局部损失，进行了分析，结果因为是非恒定流，分析的糙率关系点子散乱，见图（3）。
5.2分析糙率不能选择在弯道及河段内有水利工程的河段上进行；就是在无资料的河段上调查洪水推算流量时，也要注意这个问题，水文站一般断面情况较好，不会存在这个问题；由于分析糙率的河段站点偏少，故代表性较差，以后补充站点加以完善。
参考文献：
[1]《水力学》，中国水利水电出版社。
作者简介：董文石（1968），男，大专，陕西宝鸡，工程师，从事水文水资源工作。
论文作者:董文石
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/21
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