張良

（河北省張家口水文水源勘測(cè)局，張家口 075000）

比降面積測(cè)流法在清水河洪峰流量中的應(yīng)用

張良

（河北省張家口水文水源勘測(cè)局，張家口 075000）

由清水河實(shí)測(cè)洪峰流量反推求糙率，并以水力坡度為參數(shù)建立平均水深—糙率關(guān)系線，利用水深—糙率關(guān)系線查得的糙率用比降面積測(cè)流法對(duì)清水河洪峰流量進(jìn)行了分析，能夠滿足流量測(cè)驗(yàn)精度的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

比降面積測(cè)流法；糙率；洪峰流量；清水河

1 比降面積法

1.1 定義

比降面積測(cè)流法是流速面積法的一種，是經(jīng)測(cè)量比降，用水力學(xué)公式計(jì)算河段平均流速，測(cè)量河段的平均斷面面積，并將平均流速與平均斷面面積的乘積計(jì)算流量。在比降面積測(cè)流法中，在順直河段上，若各個(gè)斷面的過(guò)水面積變化不大，可忽略各斷面流速水頭的變化［1］，可將水面比降代替能面比降。水面比降可以由上、下游比降水尺水位之差求得，水力半徑可以由面積除以濕周求得，而面積可以在斷面圖查得水深或?qū)崪y(cè)水深乘以水面寬加權(quán)計(jì)算得出，在這些值一定時(shí)候，糙率的取值對(duì)結(jié)果十分重要。

1.2 糙率的推求

糙率是反映河床及邊壁形狀不規(guī)則和粗糙程度對(duì)水流的影響，是表征邊界表面影響水流阻力各種因素的一個(gè)綜合系數(shù)。在實(shí)際工作中糙率經(jīng)常通過(guò)流量反推出來(lái)，采用曼寧公式［2］，即

式中Q為斷面流量（m3/s）；v為斷面平均流速（m/s）；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；n為糙率；R為過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃剑╩）；S為斷面間的水面比降。

1.3 糙率的主要影響因素

1.3.1 水力半徑

水力半徑參數(shù)濕周的計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜，經(jīng)常采用簡(jiǎn)化方法求解。對(duì)于較普遍的U型槽，在寬深比大于66.3時(shí)，可采用斷面平均水深代替水力半徑進(jìn)行計(jì)算，成果系統(tǒng)誤差不超過(guò)2%［3］。

1.3.2 斷面水深

在河段順直、河床穩(wěn)定時(shí)候，可建立水位糙率關(guān)系線。在河流沖淤變化較大時(shí)候，水位與水深相比，水深與糙率建立關(guān)系相對(duì)較好。

1.3.3 河床的坡度及組成

在順直河段，縱坡坡度在忽略不計(jì)情況下，水面比降成為影響糙率的一項(xiàng)重要因素。此外，河床組成、顆粒大小也是影響糙率的重要因素之一。

2 清水河應(yīng)用實(shí)例

2.1 流域概況

清水河又名通橋河，屬于洋河支流，為山區(qū)性河流，發(fā)源于張北縣與崇禮縣交接的樺皮嶺一帶，主要由東溝、正溝和西溝3條支流組成，在崇禮縣朝天洼匯合后，穿過(guò)張家口市區(qū)和宣化縣姚家房鄉(xiāng)至清水河村附近注入洋河，總流域面積2360km2，主河道長(zhǎng)109km，寬100～150m［4-5］。

2.2 流量

選取清水河流域1996～2005年發(fā)生的9次較大洪水，流量在250m3/s以上，用弗勞德數(shù)判定河流形態(tài)均為急流。張家口水文站是清水河下游控制站，控制面積2300km2，能夠控制流域內(nèi)徑流變化。比降上、下斷面范圍內(nèi)河段順直，斷面間距100m，河段內(nèi)沿程水頭損失可忽略不計(jì)，河床主要由砂及卵石組成，屬于經(jīng)常性沖淤河道。

比降面積測(cè)流法關(guān)鍵是糙率的推求，在利用流量反推糙率過(guò)程中寬深比大于66.3時(shí)采用斷面平均水深代替水力半徑，清水河在1996～2005年間選取的洪峰測(cè)次斷面有沖淤變化，糙率與水位關(guān)系較差，無(wú)法建立關(guān)系如圖1，因此將糙率與平均水深進(jìn)行了關(guān)系線繪制如圖2。

圖1 水位—糙率關(guān)系

圖2 平均水深—糙率關(guān)系

由圖2可看出，數(shù)據(jù)主要分成了兩部分，其影響因素是多方面的。除去測(cè)驗(yàn)誤差、斷面沖刷之外，還受水面比降的影響。一般來(lái)說(shuō)，在平均水深相同的情況下，水面比降大則糙率大，反之越小。因此，以水面比降為參數(shù)定出兩條平均水深糙率關(guān)系線，洪峰計(jì)算成果如表1。

表1 洪峰流量成果計(jì)算

從表1中計(jì)算結(jié)果可以看出，加入水面比降參數(shù)以后，計(jì)算流量與實(shí)測(cè)洪峰流量誤差較小，均在±8%以內(nèi)，能夠滿足流量測(cè)驗(yàn)精度的要求。產(chǎn)生誤差主要原因是曼寧公式使用條件是假定實(shí)際情況為恒定均勻流，再加上山區(qū)性河流水位暴漲暴落，同一時(shí)間內(nèi)水位變化幅度大，水位觀測(cè)有一定誤差，以及采用斷面平均水深代替水力半徑等因素造成。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）比降面積測(cè)流法中的參數(shù)糙率受到很多因素影響，應(yīng)該努力減少測(cè)驗(yàn)誤差，根據(jù)清水河實(shí)際情況，繪制以水面比降為參數(shù)的平均水深—糙率關(guān)系線，由關(guān)系線查得糙率。再用曼寧公式推求清水河的洪峰流量，與常規(guī)測(cè)法施測(cè)的洪峰流量進(jìn)行比較，相對(duì)誤差較小，可應(yīng)用于清水河洪峰流量推求。

（2）由于清水河洪峰漲落變化較快，人員常規(guī)施測(cè)洪峰有一定危險(xiǎn)性，而比降面積測(cè)流法不僅能比較快速而又準(zhǔn)確地得出洪峰流量，縮短通知相關(guān)部門時(shí)間，也能保證人員安全又減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，可以作為一種有效的測(cè)洪手段。

［1］林傳真，周忠遠(yuǎn).水文測(cè)驗(yàn)與查勘［M］.南京：河海大學(xué)出版社，1987.

［2］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1982.

［3］付曉忠，張紅艷.用平均水深代替水力半徑的流量計(jì)算誤差的探討［J］.吉林水利，2008（4）.

［4］岳愚．張家口地區(qū)水利志［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1993．

［5］張家口市水務(wù)局，張家口水文水資源勘測(cè)局．河北省張家口市水資源評(píng)價(jià)報(bào)告［R］．2008．

Application of Slope-area Discharge Measurement in Qingshui River Peak Flow

ZHANG Liang
（Hydrology and Water Resources Bureau of Zhangjiakou，Zhangjiakou 075000，China）

Obtaining roughness by the measured peak flow of Qingshui River，and seting average water depth-roughness curve by using the hydraulic gradient as parameters，analyzed Qingshui River peak flow ratio by slope area discharge measurement，roughness is by using the water depth and roughness curve to get，this method can meet the precision requirements in flow test and has certain practical value.

slope-area discharge measurement；roughness；peak flow；Qingshui River

TV122

B

1672-9900（2014）03-0030-02

2014-03-06

張良（1982-），男（漢族），河北行唐人，工程師，主要從事水文水資源工作，（Tel）15830591811。