河道糙率率定方法存在问题与对策措施
2023-09-19
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西北水电・2017年・第1期 文章编号:1006--2610(2017)01__0o01__04 河道糙率率定方法存在问题与对策措施 滕凯 ,张丽伟 (1.黑龙江齐齐哈尔市水务局,齐齐哈尔市161006;2.黑龙江齐齐哈尔市河道管理处,齐齐哈尔市161006) 摘要:河道糙率是河流防洪工程设计的重要参数之一,直接关系到工程的建设投资及防洪安全。通过对嫩江干 流河道糙率选取方法的全面分析,指出了目前率定河道糙率在实测洪水资料利用、控制断面水位流量关系曲线建 立、复核洪水选用等方面存在的问题及可能给工程设计带来的不利影响,最后提出了相应对策及改进措施。 关键词:河道糙率;参数率定方法;存在问题;对策措施;防洪工程 中图分类号:TV143.5 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2017.01.001 Issues and Countermeasures on River Course Roughness Calibration Method TENG Kai ,ZHANG Liwei (1.Qigihar Municipal Water Affairs Bureau,Qigihar,Heilongjiang 161006,China; 2.Qigihar Municipal River Management Ofifce,Qigihar,Heilongjiang 161006,China) Abstract:The river course roughness is one of the important parameters for the design of the flood control works of the river.It is closely re— lated to the construction investment and lfood control safety of the works.Through the full analysis on the selection of the ifver course rough— ness of the main stream of the Nen River,issues and potentila unfavorable impacts caused by the river course roughness calibration currently rae pointed out in terms of application of the measured lfood data。establishment of the rating relation curve for the control section.and selec— tion of the rechecked flood.Finally,the corresponding countermeasures and improvement are raised Key words:river course roughness;parameter calibration method;existing issue; 在开展江河防洪工程规划设计工作中,推求各控 度、保障工程防洪安全具有重要意义。 制断面各种洪水标准情况下相应洪水流量(洪峰流 由于河道糙率是河流阻力的一个综合性参数, 量)及水位是防洪工程规划设计的重要工作内容之 其值的大小与河流的水深、比降、河床质组成、断面 一,而利用河道各控制断面(水文站)实测洪水的水位 几何形状、水流平面形态等诸多水力因素有关,为 ~流量关系完成该河段主槽与滩地糙率的率定(试错 此,张秉文 通过对天然河道糙率影响因素的定性 法 1-2]),则是河道防洪规划中设计标准洪水水面线 分析,给出了单式断面、复式断面、大小河道及滩地 推求的工作基础及关键性参数。由于糙率值的大小 漫流情况下的经验糙率取值;马玉红等 、方神光 对水面线计算结果的影响较大,只有通过率定的糙率 等 针对天然河道糙率影响因素及特点,提出了用 科学合理、符合工程实际,水面线推求成果才能有效 曼宁公式反求糙率对河段及资料选样的要求,明确 保证防洪工程的设计精度,由此而确定的防洪工程的 了确定糙率的基本原则。而有关如何提高采用试糙 挡水高度才可满足既经济又安全的要求。因此,研究 法所依据的控制断面水位~流量关系的合理性及复 并提出合理的河道糙率率定方法,对提高工程设计精 核洪水的代表性方面的研究则相对较少。本文以 收稿日期:2016—10-28 《嫩江干流治理工程可行性研究报告》 水面线计 作者简介:滕凯(1957一),男,齐齐哈尔市人,高级工程师,主要 算中控制断面水位~流量关系及复核洪水的确定方 从事水利防灾减灾及工程优化设计研究工作. 法为例,分析了目前糙率率定存在的控制断面水位 基金项目:齐齐哈尔市社会发展计划项目(SFZD一2013174). 一流量关系取值偏低、复核洪水代表性不强等问题, 2 滕凯,张丽伟.河道糙率率定方法存在问题与对策措施 提出了相应改进对策及措施。 面线计算,并比较各控制断面计算水位与实测水位的 拟合情况,如不理想,可对已选糙率值进行小幅调整, 直到复核情况较好为止。 1.2存在问题 1.2.1 控制断面H—q关系曲线代表性差 1 现糙率率定方法及存在问题 1.1率定方法 天然河道水面线计算采用恒定非均匀流能量方 程式,由下游向上游逐段推算。其基本计算公式为: (1)水位值偏小 目前,控制断面的H~Q关系曲线均是根据以 往历次实测洪水的流量Q及相应水位 所构成的 散点图为基础,采用综合平均的方法由人工完成H ~H = +(詈)2 滩 濉c 式中:日 、 分别为下断面和上断面水位,m;P为断 面流量,nl /s;K为上、下断面平均流量模数,m /s; 为断面间洪水间距,m。 0关系曲线最终成果绘制E7 81。由于洪水资料年 代跨度较大,一般在30~50 a,因河道冲於变化、滩 地植被改变及人类活动干预,致使水位H、流量Q所 构成的散点图比较分散,造成控制断面的H~Q关 系曲线代表性不好。图1为嫩江干流江桥水文站的 H~q关系曲线图 J,为本站(1953--1998年)45 a 流量模数按主槽和滩地分别计算,公式为: 丰=— 厂_i i i R A丰c0s (2)、 滩= 一尺 A滩COs卢 濉 (3) 间的8次洪水的实测水位 、流量q的散点图及 ~式中: 主、n滩分别为主槽、滩地糙率;R主、尺滩分别为 主槽、滩地水力半径,m;A主、 滩分别为主槽、滩地 断面面积,m ; 、 分别为主槽、滩地断面偏角;咖河 Q关系曲线。由图1可见,由于洪水资料的年代 跨度较大,历次洪水的H、Q所构成的散点图比较分 散,当该断面通过流量Q<7 000 m /s时,对应同一 道弯曲系数,咖= 主/L滩;L主、L滩分别为主槽及滩地 的河流长度,m。 流量情况下各场次洪水的水位具有较大的差异,相 差多在0.4~0.7 rn之间,曲线上方散点的偏离幅度 在0.2~0.5 m之间,因此,对于该控制断面,从对工 程设计不利方面考虑,实际的 ~P关系曲线偏于 洪 利用式(1)~(3)进行糙率率定的主要过程为: 第1步,在已有水位~流量关系曲线的控制断 西北水电・2017年・第1期 3 水水面线,对工程的防洪安全不利(根据文献3成 (2)洪水跑滩历时与设计相差大 从对防洪工程设计不利方面考虑,用来复核糙 率的典型洪水应选择发生在主汛期,并且最大洪峰 果),实际应用代表性不强。 (2)受单场大洪水影响明显 对于控制性断面,由于特大洪水以上量级标准 的洪水发生的概率一般较小(P≤2%),由此,在实 际绘制控制断面日一Q关系曲线时,往往遇到仅有1 —流量偏前的洪水类型,以使复核的糙率相对偏大。 而在目前的相关研究成果中,有关这方面的研究尚 未见到,因此,也使复核洪水的选择忽略了这方面问 题。对于一般复式河道断面,洪水跑滩后,滩地植物 即开始被水浸泡或淹没,根据肖翔溢 J、张小璇¨ 、 卢雪琴_1 等的研究成果,对于一般以草本植物为 2场或无实测特大洪水量级以上洪水资料情况, 而由于受洪水发生时间(近期、中期、远期)、洪水形 成类型(全流域型、干流型、中下游支流型)、洪水峰 型关系(突涨前峰型、平缓单峰型、多峰型)的差异 影响,常使大流量情况下的H~Q关系曲线产生较 大偏离,如图1所示,当Q>8 000 m /s时,仅有1969 年(相当于P=5%)及1998年(相当于P=0.5%)2 场洪水的实测H、Q散点,因1969年洪水受当时堤 防工程现状(堤防多处决口)影响,散点明显偏下, 无参考价值。而“98洪水”由于形成的条件不同(6 月中旬跑滩,8月中旬出现最大洪峰),作为高水位 情况下的参数率定,尚存在不具普遍性。 1.2.2复核洪水典型作用不明显 通过率定确定的糙率,还应在实测洪水系列中 选择典型洪水进行复核,即利用典型洪水的实测水 面线与选定糙率情况下的计算水面线进行对比,验 证率定糙率取值的合理性。典型洪水的选择主要涉 及洪水形成的时间、洪水形成类型、洪水峰量关系 等,因此,在实际工作中获得代表性较强的典型洪水 一般比较困难,主要存在以下问题。 (1)洪水量级标准与设计相差大 理论上,为了使复核洪水与设计洪水具有更好 的相似性,所选复核洪水的量级应与设计洪水接近, 且洪水发生的时间应在近期。但在实际工作中,可 能面临的问题是:近期有实测洪水资料,但量级标准 与设计相差较大;近期无实测洪水资料,与设计量级 标准接近的实测洪水发生的时间比较久远。致使复 核洪水对糙率的复核失去了实际意义。如在文献 [6]中,设计洪水标准分别为20年及30年一遇,典 型洪水则选择了1998洪水(130年一遇标准);根据 文献[7]的研究成果,对于复式断面的河道,洪水跑 滩后其糙率随水深的增大而减小,当水深增大到某 一数值后,糙率不再与水深增加而变化。由此可见, 由于复核洪水量级与设计洪水存在较大差异,利用 复核洪水完成的糙率复核及验证,在一定程度上实 际意义不大。 主、有少量丛柳、庄稼、树木的河滩地植被,其成熟期 的耐淹时问一般为15~20 d,淹没25~30 d后植物 枝叶开始枯萎至腐烂脱落(降解)。因此,如果洪水 跑滩的时间比较早,滩地的植物正处于生长初期或 中期,其耐淹及腐烂脱落时间将大大缩短,待最大洪 峰出现时,这些滩地植物已完全腐烂脱落,这种情况 下滩地的糙率将明显减小,由此而率定的糙率不利 于工程安全。如在文献[6]中,糙率复核典型洪水 选择了“98洪水”,本次洪水嫩江干流中下游自6月 中旬开始出槽跑滩,先后经历3~4次洪峰,至8月 中旬出现最大洪峰流量,峰前洪水历时50余d,相 关情况见表1。 表1嫩江干流“98”及“2013”洪水各控制断面水情表 由于“98洪水”出现最大洪峰流量时滩地植被 的枝叶已经完全腐烂脱落,因此,用该次洪水水面线 进行复核将使糙率值较实际糙率明显减小,从而造 成文献[6]设计洪水水面线较实际洪水水面线普遍 低0.10~0.40 m,见表2比较成果。表2为嫩江干 流2013年各控制站的实测洪水资料,实测洪水水位 普遍较同流量级的设计洪水位高0.10~0.45 m。 其原因就是因为“98洪水”的跑滩起始时问为6月 中旬,此时滩地植物正处于生长初期,耐淹程度差, 且生长高度一般为成熟期的1/3~1/2。当8月中 旬发生洪峰流量时,这些植物的枝叶甚至骨干已完 全腐烂脱落;而“2013洪水”则不同,其跑滩时间为 滩地植物基本进入成熟期的7月末,且洪峰发生时 间为8月中旬(见表1),滩地植物尚未被淹死,植物 4 滕凯,张丽伟.河道糙率率定方法存在问题与对策措施 对洪水的阻碍作用应明显高于“98洪水”,因此造成 “2013洪水”水位普遍高于同流量级设计洪水水位。 2主要对策及措施 2.1 要加强控制断面的代表性分析 在一般情况下,控制断面多选择在有水文测站 的断面,在进行河道糙率率定计算前,必须对该断面 所处河段河槽及滩地的冲淤变化、河床质地及滩地 植被在本河段的代表性、河道平均比降是否存在转 折点、洪水水位是否存在受变动回水影响等进行全 面分析,尽量选择在本河段代表性好、或虽有不足但 可以剔除及还原的控制断面,做到去伪存真,使所选 择的控制断面具有更好的代表性。 表2嫩干“2013洪水”与设计洪水水面线比较表 控制断面淼主激 “ Ⅲ/ * 2.2要突出洪水资料的代表性选择 为了保证利用实测洪水资料求取控制断面H~ Q关系曲线满足糙率率定要求,实测资料的选用应 注重2个方面:一是要选择涨水期间的H、q数据, 但考虑参数率定计算公式对水流条件的假设,对暴 涨时段的H、Q数据应进行剔除;二是要根据河道冲 淤变化及滩地植被改变情况适当控制选择实测洪水 资料的年代跨度,避免由于实测洪水选择年代跨度 较大(因河道断面及植被条件的不同)造成的H、Q 数据散点不集中,以尽量消除因断面冲淤变化较大 或植被阻水情况不同对参数率定产生的影响。 2.3改进控制断面 一Q曲线的成图方法 根据文献[3]的研究成果,为使利用控制断面 H~q曲线率定的糙率值更有利于防洪工程的设计 安全,在进行控制断面 ~Q曲线绘制时,应对历史 及近期洪水的发生时间、洪峰类型、汇流特点、滩地 植被情况及工程现状进行综合分析,从中选择与目 前工程设计条件相类似场次洪水的实测H、Q数据 获得散点图,并通过采用小外包线(95%的点在线 的下方)的方法完成H~Q曲线绘制,见图2。 25 5UoO 7500 10000 125【J【J 15000 l75【)【】 流量Q/(m3.s。) 图2控制断面 ~q关系曲线图 2.4突出复核洪水的典型作用 考虑滩地植被对典型洪水水面线影响较大,依 据上述分析成果,在进行复核洪水选择时,应重点围 绕洪水的年代、量级、发生时间及峰型4个方面进行 选择。 2.4.1洪水的年代选择 由于河道的冲淤变化及滩地植被条件的改变, 为了使所选择的复核洪水与可能发生洪水在行洪条 件上具有更好的相似性,复核洪水不宜选择年代跨 越较大的历史性洪水,建议应在近期发生的洪水场 次中选择。 2.4.2洪水的量级选择 根据文献[7]的研究,洪水跑滩后其糙率值随 水深的增大而减小,当水深增大到某一数值后,糙率 值不再随水深增加而变化。为能体现复核洪水对糙 率值的校对作用,建议选择的洪水量级不宜过大,标 准宜小于50年一遇为好。 2.4.3洪水的发生时间选择 考虑滩地植被的生衰特点,应选择发生在滩地 植被接近或已经成熟的主汛期洪水作为复核洪水, 以使利用该洪水进行糙率复核具有更好的代表性。 如嫩江干流中下游发生在7、8月份的洪水占50场 洪水总数的58%,尚有42%的洪水发生在6及9月 份。因此,对于嫩干中下游,建议选择发生在7、8月 份的洪水为复核洪水。 2.4.4洪水的峰型选择 根据河道滩地植被耐淹及腐烂降解的时间规 律,从对工程设计不利因素考虑,参数复核洪水应尽 量选择前锋型的洪水类型,并且发生最大洪峰流量 (下转第12页) 12 邓清树.怒江上游西藏境内河段水文自动测报系统规划初探 4.2软件功能 促进当地经济社会发展,稳定少数民族地区安定团 结局面,促进“藏电外送”,具有重大的社会经济效 益和战略意义。建立无人值守的水文测报系统,可 以提高防洪效益,优化水库调度,发挥梯级电站的联 数据处理系统软件的主要功能是:①可实时接 收全流域内各遥测站的实时数据,包括水位、雨量、 工况等;②对原始数据进行合理分析、排错,并分类 存入档案数据库;③对突出点或缺损值进行人工订 调作用,提高电站经济效益,且投资少、见效快和效 益高。因此建立怒江上游西藏境内河段水文自动测 报系统十分必要。 正或插补;④可监控遥测站的工作状态,包括时钟 校准等运行参数及电压报警等;⑤实时信息查询、 维护、备份数据。 应用软件的主要功能是:进行数据整理、洪水预 报、洪水调节计算、数据库管理及水务计算等。具体 参考文献: 金政焕,王文明,谢宝贵.水文自动测报系统的研究与应用综 述[J].黑龙江水专学报,1997(ZI):29—32. 水电工程水情自动测报系统技术规范:NB/T35003—2013[s]. 曹静.新疆头屯河水库水文自动测报系统设计[J].水利科技 与经济,2016 22(04):83—85. 包含数据采集和处理子系统;数据库管理子系统;查 询子系统;实时监视子系统;系统显示/打印子系统; 水文预报子系统;数据的装载/备份子系统(含预报 成果);图形子系统;报表子系统(含预报成果);技 洪华.论蜀河和旬阳水电站水情自动测报系统的建没要点 [J].西北水电,2012(06):38—40,61. 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院.怒江上游西藏境内 术支持子系统;系统可靠性统计、分析子系统;系统 1_ n l扩展子系统;远程查询子系统以及水务计算子系统 等14个子系统。 测报系统科学合理配置设备,中心站实时进行 数据处理,有效发挥软件功能,完成系统自动测报任 务 河段水电规划报告(中间成果)[R].西安:2009. 郭生练.水库调度综台自动化系统[M].武汉:武汉水利水电 大学出版社,1999. 谭炳卿.水文模型参数自动化优选方法的比较分析[J].水文, 1996(05):8—14. 晏忠林.水情自动测报系统在龙滩水电工程中的应用[J].水 5结语 力发电,2003(10):27—29. 怒江上游西藏境内河段水能资源丰富,资源集 中,是中国重要的能源基地。开发怒江上游水电,对 (上接第4页) 的时问应处于滩地植被成熟期或后期,洪水开始跑 滩到最大洪峰发生的时长应小于滩地植物腐烂降解 的时长。 孙宇群,黄海玲.闹龙河水库工程水文自动测报系统[J].黑龙 江水利科技,2011(01):109—110. 民教育 {版社,1983. 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