浅析河道糙率的算法

浅析河道糙率的算法

作者：徐观兵

来源：《城市地理》2016年第05期

摘要：河道糙率是回水计算的关键参数，对河道治理、水利建设中的输水损失、防汛抢险中的洪水演算至关重要。水库淤积后糙率将随着变化，因此选用适当的糙率算法，是库区回水计算十分关键的一步，对水库淤积后沿程水位确定、城市防洪安全、堤防设计高程拟定、水库防洪库容计算等均具有直接影响。

关键词：河道糙率；水库淤积；回水计算

1引言

河道糙率是反映河床表面粗糙程度的重要水力参数，受众多因素影响，包括岸壁和河床等的粗糙程度，断面形状，河床表面、河道岸壁等的地质特性，水流的流态以及含沙量等。这些因素的变化情况，都与河流的特性不同，即使是同一条河流的上、中、下游各处，乃至同一河段的不同水深时也是不一样，其值很难精确求得，然而基本的公式法和查表法得出的具体值并不能满足水力的计算要求，因此是否选择合理的方法来计算糙率将会直接影响计算结果的正确性和合理性。通常情况下，如果河流的河床和边壁等组成情况没有特别改变，那么，糙率大小的变化趋势将会是随着河道水深的增加而递减，直到某一水位，糙率才稳定不变。对一般的河道而言，不同水位下的各种水力特性往往不同，比如边壁特性、植物生长、河床质组成等情况都不一致，不同水位下的河段平均粗糙程度也有所不同，水深通常可以间接反映这种变化。糙率是一个综合的阻力系数，受多方面的因素影响，包括河道的几何形状、水力条件、甚至包括比降观测、水深、流速等各项数据的测量误差。糙率的计算是否合理正确、将对洪水演算产生较大的影响。研究表明，糙率也是一个相当敏感的参数。因此，考虑糙率随水位流量变化是有必要的。

2糙率算法

2.1查表估值法

所谓查表估值法，是指在缺乏实测资料的情况下，结合河道特征，参照相似河道的糙率，再根据河床粗糙程度的特征，通过查询天然河道的糙率表得出糙率。该方法没有考虑局部阻力，仅反映切应力对水流的阻力。此时虽然有图表可查，但很大程度上依赖于技术人员的工程经验，因此查表估值法有一定的误差性，所以要慎重选择。

2.2水力学推算法

当河道有实测资料时，可应用水力学推算法来计算糙率。水力学推算法是指利用河道实测水文资料推算糙率。将水力学推算法应用到特定河段时，需要预先判断水流的流态。当流态为

恒定均匀流时，则应用谢才曼宁公式来推算糙率；当流态为渐变流时，则利用该河段实测资料的平均值来推算糙率初值，再利用反复推算水面线的方法来推算糙率值，直至符合计算需求。

2.3反求糙率精度法

反求糙率精度法是指通过将实测的相关资料代入曼宁公式来反求糙率。在天然河流中的水流通常是处于一个非恒定流的状态。而曼宁公式的推导却是在近似于均匀流的水流流态下进行的。因此，在观测水面比降的时候，应选择在水流流态短时内处于平稳状态时进行观测，或者在洪水涨落时，短时间内出现峰顶时进行观测，利用这种方式观测出来的比降资料通过曼宁公式才能较准确地对糙率进行计算。水文站在勘选断面时，应当避免选择那些会出现深潭、弯道及形状急剧变化等的断面。选择合适的断面进行观测，可以减少局部能量损失，甚至可以忽略局部能量的损失。从而使得在计算糙率的时候，可以直接使用曼宁公式通过水面比降将糙率反求出来。

3糙率算法修正办法

3.1糙率参数反问题修正法

通常，由糙率公式法推算出来的糙率不能直接应用到天然河道中的计算，因为由糙率公式推算出来的糙率与用洪水资料推算出来的糙率存在差异。天然河流在计算糙率过程中所选用的糙率系数n是一个相对比较综合的阻力系数，既反应了周界粗糙程度，也反应出河道断面的形状、水流的流态以及水力条件等的变化。在糙率计算中，应用手工调试的方法来率定断面的糙率存在明显的弊端。当河网规模比较大且复杂时，应用手工调试的方法来率定糙率的工作量会变得非常巨大，同时伴有很大的随机性。为克服这些弊端，可将各级糙率的率定提为反问题中的参数问题，采用优化方法率定糙率，有效地节省了工作量与工作时间，同时还能提高准确率。

3.2综合计算糙率法

所谓综合计算糙率法是指利用局部能量损失系数以及反映切应力的糙率参数综合计算糙率的方法。但，利用该方法的前提是假设局部能量损失在计算子河段内是均匀分配，且不影响计算断面的计算水位值。

因为在天然河道中水流的流态往往是非恒定流，恒定流出现的时间和概率均较小。天然河流中，沿程水深和流速通常是不断变化，使得天然河流的流态往往形成恒定非均匀流。因此，在考虑能量损失时，应当把局部能量损失也考虑进去。需要用能量方程来代替曼宁公式来确定糙率。

总结：随着大量水库的运行使用，泥沙淤积也随之发展，造成了水库库容的损失，大大降低了水库的综合效益，还会产生一系列严重影响，因此准确预测河道的糙率，尤其成库后的综合糙率，对河道的各种水力、泥沙冲淤和排沙的准确计算有着重要意义。以往针对水库淤积糙

率的研究主要采用半理论半经验方式、或采用淤积初步平衡其他类似河段参考等方式进行确定，为了克服这种弊端，部分研究人员提出了一些新方法来推算糙率，以期得到更加准确和合理的结果。以此同时，对糙率进行了修正研究，还能提高精度，减小糙率对模拟结果产生的影响。