开敞式内河航道航运用水量分析及计算

开敞式内河航道航运用水量分析及计算

马金辉闵娟玲

摘要：本文针对开敞式内河航道航运用水量进行深入分析，根据水力学明渠恒定非均匀流理论，提出计算公式，并通过实际工程进行检验。其公式简洁、适用，易于工程计算，可为工程设计提供有益参考。

关键词：内河航道；明渠恒定非均匀流；糙率；航运用水量

1 引言

内河航运具有运能大、占地少、能耗低、污染小、安全可靠等特点，是国家综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分。随着我国国民经济快速发展，内河水运货运量持续增长，运输船舶大型化、标准化趋势明显，水运市场日趋活跃，内河水运进入了快速发展的较好时期。

内河航道计算内容很多，涉及面很广，其中规划用水量计算是工程中最为关心的问题之一。北方以黑龙江和松辽水系为主体的内河水运地区，近年降水量偏少，用水浪费及水质污染严重，加剧了水资源的供需矛盾，导致水资源紧张。因此，在北方地区建设内河航道的规划用水量必须与当地工、农业及城市用水量相协调，在建设的可研阶段，提供较为准确的航道规划用水量对北方地区水运资源的综合利用具有十分重要的意义。

航道规划用水量包括航运用水量及航道耗损水量两部分，其中耗损水量需计算河道内渗漏损失和水面蒸发损失等。本文针对航运用水量进行深入分析，根据水力学相关公式，提出经验计算公式。

2 基本理论

2.1 明渠恒定均匀流

2.1.1 形成条件

明渠恒定均匀流是流速沿程不变，流线为一系列相互平行的直线，水深和断面的流速分布等均沿流不变的流动。它是明渠水流中最简单的流动形式，其理论是分析天然河流非均匀流动的基础。

明渠均匀流需具备以下条件：

（1）水流恒定，流量沿程不便；

（2）正坡，底坡沿程不变；

（3）棱柱体渠道，糙率沿程不变；

（4）明渠充分长直，无建筑局部干扰。

2.2.2 基本公式

Q vA

=①谢才公式：1/21/2

v CR J

=②曼宁公式：1/6

1

C R

n

=③

A

R

χ

=④将②、③代入①式，有曼宁流量公式：

2/31/2

1

Q AR J

n

=⑤上面各式式中

Q：流量（3/

m s）

v：流速（/

m s）

A: 过水断面面积（2m）

C: 谢才系数

J: 水力坡度

n：糙率系数

R: 水力半径（m）

χ: 过水断面湿周（m）

2.2 明渠恒定非均匀流

明渠恒定非均匀流是通过明渠的流量不变，流速与水深沿程变化的流动，是人工渠道、天然河道水流的基本流动形式。

对于明渠恒定非均匀流，由均匀流导出的谢才、曼宁公式，不能直接代入①式，需对公式中的参数进行修正，此时

(,,,)

Q f n A R J

=⑥

（1）天然河道糙率n

4

5

0i

n m n

=∑⑦式中

n：天然顺直、光滑、均匀渠道的糙率；

1

n：水面不规则影响系数；

2

n：河道横断面形状和尺寸变化影响；

3

n：阻水物影响；

4

n：植物影响；

5

m：河道曲折影响。

⑦式各参数取值可参考《水力学》等相关书籍。

（2）修正过水断面面积A*

天然河道的过水断面沿程变化，可取河道的平均断面面积A。河面宽度及深度的变化频度，在影响河道阻力的同时，直接影响河流流态，因此，在计算中引入河道断面变化频度系数a，则修正过水断面面积为A aA

*=。

（3）水力半径R

A

R

χ

=，其中χ为平均断面湿周。

（4）水力坡度J

() 12/

J z z L =-

1

z : 始断面水位（m）；2

z：末断面水位（m）；

L : 河段长度（m ）

。 将以上经修正后的计算参数代入⑥式，得天然河道流量计算经验公式：

2/3

1/2

124

50

1

i

z z A Q a A L m n χ⎛⎫

⎛⎫

-= ⎪ ⎪⎝⎭

⎝⎭∑ ⑧

3 工程应用

2008年10月辽宁省海城市政府委托中交天津港航勘察设计研究院建设大辽河航道，整治河段为大辽河入海口至三岔河段，长约94km ，为弱感潮河段，河道走势见图1。辽河流域水资源短缺，能否提供新建航道足够的航运用水量，是整个工程可行与否的关键所在。

图1 大辽河走势

依据公式⑧对大辽河航道整治前后进行计算，各参数取值见表1、表2。

表1 河道糙率取值

n0 n1 n2 n3 n4 m5 0.02 0.01 0.012 0.02 0.007 1.3 0.02

0.009

0.012

0.02

0.007

1.27

表2 辽河航道建设前后流量计算

Q n A

R J a z1 z2 L 258.6835 0.0897 1908.5 3.468 4.40E-05 0.8 -1.25 0.31 94000 285.4131

0.08636

2409.83

4.3767

2.20E-05

0.815

-1.25

0.1

94000

可见航道整治后辽河增加的流量

Q ∆=285.4131-258.6835=26.73(3/m s ) 通过上述计算可知，建设大辽河航道，每年航运补水量为5.54亿3/m 年。

4 结论

本文基于明渠恒定非均匀流理论，通过研究各个参数的性质，完善了天然河道流量计算公式，其计算结果能较好的反映河流实情况。文中总结的经验公式简洁、适用，易于工程计算，可为工程设计提供有益参考。

参考文献

[1]李家星等 .水力学.河海大学出版社，2001.

[2]长江航道局.航道工程手册.人民交通出版社，2004.

[3] GB50139-2004，内河通航标准. [4]中交天津港航勘察设计研究院．辽宁省海城市河港建设项目航道整治工程预可行性研究报告，天津，2009年2月．

（本文由孟兆生审定）