大型人工河道糙率问题研究

大型人工河道糙率问题研究
摘要：本文从新汴河的实际运行工况，利用实测资料反推出新汴河河槽和滩地糙率，通过分析新汴河运行以来河床糙率的变化，总结出大型人工河道河床糙率变化的一般规律。

关键词：新汴河河槽滩地糙率
1河道糙率影响因素
影响糙率的因素，主要是河床壁材料的组成（如泥沙、卵石、天然岩石），以及各种材料的粗细结构，河床表面平整程度，植被生长情况等。

关于水深对糙率的影响，一般来说，低水位时水深小，河床面凹凸度占水深比例相对较大，对水流的影响也大。

另外，阻力跟水流与河床的接触面有关。

在同一断面中，水位低接触面相对较大。

但随着水深的增加，湿周的增率也逐渐减小，或者趋于不变。

因此河床壁组成等情况如无特殊改变，糙率的变化也是随着水深增加而减小，到某一高水位后，稳定少变。

对于天然河流来说，各级水位的河床质组成，边壁特性，植被成长等情况各不一致，因此反映各级水位以下河段平均粗糙程度也各有差异，水深可以间接反映这种变化情况。

2新汴河河道糙率研究
2.1河道概况
新汴河是淮北平原上人工平地开挖的河道，新汴河七岭子～团结闸段，全长111.2km，河道底宽95～115m，堤中心距350～560m。

具有近似于明渠均匀流的条件。

本文用实测资料反推法推算新汴河河道糙率，选用的是有实测水文数据的宿县闸～团结闸段98.44km河段，根据设计条件，新汴河20年一遇设工况下，河道断面平均流速为1.135m/s，团结闸和宿县闸洪峰出现的时间差为1d。

2.2原设计糙率取值及存在问题
新汴河原设计河道糙率中泓采用0.0225，滩地按漫滩水深区别采用，3m以上0.03，3m～2m为0.03～0.035，2m～1m为0.035～0.04，1m～0.5m为0.04～0.06，0.5m以下不计行洪能力。

1982年7月，新汴河发生特大洪水，根据宿县闸和团结闸水文站实测资料，宿县闸实测最大流量1450m3/s，最高水位28.49m，流量与20年一遇设计排洪流量相当，但水位却高出20年一遇水位0.66m，团结闸最高水位18.97m，比20年一遇设计水位低0.87m，宿县闸～团结闸间水位差达9.52m，比设计水位差7.99m大1.53m，水面纵比降比设计增加约19%，实测流量、水位说明，新汴河
实际行洪能力与设计工况有较大差异。

灾后有关方面着手调查、分析和研究新汴河排洪不畅的原因，调查分析从两方面入手，一是河道淤积状况，二是河道糙率是否有变化，以及与设计采用糙率是否吻合等。

2.3淤积的影响
为查明河道淤积，1982年灾后对河道断面进行了测量，实测结果表明，经过10多年的运行，新汴河河道有一定淤积，特别是宿县闸上，平均淤积深度约0.6～0.7m，宿县闸以下淤积较少，平均淤积厚度0.2m。

2008年6月，宿州市水利勘测设计院又对新汴河河道断面进行了测量，测量结果表明，平均淤深0.8～0.2m，与1982年断面相差不大，说明1982年以后因无大水，新汴河河道较为稳定。

用实测断面、原设计糙率、团结闸20年一遇设计水位、20年一遇流量推算宿县闸水位为27.83m，比设计水位高0.2m，宿县闸下河道淤积对宿县闸洪水位影响0.2m，说明淤积不是宿县闸水位抬高的主要因素。

2.4反推法计算现状糙率
2.4.1主槽糙率分析
计算选取1982、1991、1998、2000年等4年中较完整的来水过程，由团结闸上水位通过实测流量利用非恒定流试算法推求宿县闸下水位，假定一个糙率，得到一个相应的宿县闸下水位，直到与宿县闸下实测水位一致，从而求得宿县闸下各种不同水位下的糙率，主槽平均水深H～n关系曲线图如图1。

图１新汴河主槽H～n关系图图2 新汴河滩地H～n关系图
计算结果表明，中泓糙率范围在0.027～0.042之间，当H4.0m时n值密集，糙率随水深增加而趋小；H>5.0m以后n值趋于稳定值0.027。

2.4.2滩地糙率分析
确定主槽糙率后，选择高水位漫滩来水过程，通过宿县闸下水位资料进行分析，选定高水位时段分析确定滩地糙率。

由于宿县闸下滩地高程为26.0m，所以在宿县闸处水位上滩的点据较少，按主槽糙率0.027，推算滩地糙率，平均水深H～n关系曲线图如图2。

当滩地平均水深小于1.3m时，滩地河床糙率随水深增加而减小，滩地平均水深大于1.3m时，n值趋于稳定值0.046。

3实际糙率分析
参阅有关教材和科研分析成果，以上分析的糙率均在类似条件的变幅之内。

采用实测流量水位推算的糙率成果说明新汴河河槽以及滩地糙率均较原设计情况发生了较大的变化。

经分析认为产生这种变化的主要原因是：①因团结闸、老灵西闸等长期蓄水位偏低，使得大部河底水深较浅，河底水草丛生，深达0.5～0.7m，部分河底受水流冲击形成大小沙丘、深潭；②岸壁遍长杂草，杂草深度10～15cm，局部河段裸露砂姜，砂姜粒径3～4cm；③滩地允许种植，一般均种植黄豆、棉花、山芋等农作物，株高约0.4m。

由于新汴河经过几十年的运行，实际河道运行工况达不到原设计的理想状态，河床糙率大于设计假定值，实际泄洪能力被降低。

特别是低水位时，水草、砂浆增大糙率，这种影响更加明显。

4大型人工河道糙率变化的一般规律及结论
新汴河1969竣工后，河槽形状标准，为粘土质河槽断面，表面光滑，无杂草与裸露砂浆等，根据1969年新汴河宿县闸站不同测流法与比降推求的H～Q 综合曲线分析，新汴河运行初期河道糙率和原设计河槽糙率0.0225一致。

后期由于河槽受水流冲刷影响，河流平面形态、河床特征均发生了很大变化，河岸遍长杂草，裸露砂浆，河槽内水草丛生，部分河底受水流冲击形成大小沙丘、深潭；致使河床糙率逐年增大，河道运行5、6年后渐趋于现在的稳定状态。

本文通过实测资料反推法，推算出新汴河河槽和滩地的实际糙率，得出新汴河运行以来的糙率变化规律是，河道运行初期，由于河床和原设计工况相比变化较小，河床糙率和原设计基本一致；后来由于行洪后受水流冲刷影响，河道形态与特征发生了变化，河床糙率逐渐增大；随着河道冲淤及滩地植被条件稳定，河床糙率亦趋于稳定。

这是大型人工河道糙率变化的一般规律。

以上分析为新汴河治理工程河道糙率的取值提供依据，也可为淮北地区具有类似工况的河道糙率选用提供参考。

主要参考文献：
[1] 吴持恭，水力学，高等教育出版社，2000
[2] 新汴河工程扩大初步设计，安徽省水利厅勘测设计院，1966
[3] 新汴河治理工程可研，安徽省水利水电勘测设计院，2010
[4] 水文年鉴，安徽省水文局，1969-2007
[5] 施浩然，新汴河糙率测试分析，安徽水利科技，1992。