劉 松周維軍奚 斌張 瑾（.淮安市水利局 淮安 5009 .江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 揚(yáng)州 5000 .揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 揚(yáng)州 5009）

淮河入江水道改道段綜合糙率分析研究

劉 松1周維軍2奚 斌3張 瑾3
（1.淮安市水利局 淮安 225009 2.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 揚(yáng)州 225000 3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 揚(yáng)州 225009）

為了研究淮河入江水道改道段的葦草對(duì)其綜合糙率的影響，本文通過(guò)河工模型試驗(yàn)采集了分析所需數(shù)據(jù)，利用資料提出的公式從流量、水位、水面覆蓋率三方面對(duì)其綜合糙率進(jìn)行了計(jì)算分析。得出淮河入江水道改道段的綜合糙率隨著流量的增大而變小，隨著水深的增加而減小，隨著水面覆蓋率ki的增大而減小的規(guī)律。

淮河入江水道 糙率 葦草 淹沒(méi)度 研究

天然河道的漫灘上生長(zhǎng)著各種植物，這些植物對(duì)水流運(yùn)動(dòng)有著不可忽視的影響。由于植被的存在，加大了河道的糙率，改變了河道水流的流態(tài)，影響著河道的行洪能力。對(duì)于以泄洪為主的河道，植被增加了水流阻力，增大了河床糙率，降低了水流流速，減小了河槽過(guò)水?dāng)嗝?，?dǎo)致河道水位上升和泥沙淤積，不利于防洪。因此對(duì)生長(zhǎng)葦草的泄洪河道糙率進(jìn)行研究分析具有重要意義。

淮河入江水道1969年按行洪流量12000m3/s的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，全線采用0.025的綜合糙率，推算了沿程水位。1971年總體設(shè)計(jì)中，根據(jù)1971年行洪6000m3/s時(shí)測(cè)驗(yàn)分析的糙率對(duì)沿程水位作了適當(dāng)調(diào)整，以后一直將該設(shè)計(jì)水位沿用至今。1991年大水后實(shí)施的加固工程和2003年災(zāi)后重建是按原設(shè)計(jì)水位加固堤防，基本上沒(méi)有涉及河道整治，也未調(diào)整設(shè)計(jì)水位和糙率。通過(guò)入江水道幾十年來(lái)的運(yùn)行，行洪水位一直偏高，大水年份矛盾十分突出。

入江水道三河至高郵湖改道段長(zhǎng)18km，灘地葦草長(zhǎng)勢(shì)旺、密度大。經(jīng)過(guò)10多年以耕代清，有效抑制了蘆柴生長(zhǎng)，但大墩嶺、施尖灘等地勢(shì)較低的灘地，蘆柴長(zhǎng)勢(shì)依然茂盛，對(duì)行洪仍有不容忽視的影響。據(jù)1990年、1991年、1996年、2003年汛期，中渡水位～流量關(guān)系曲線及金湖水位～流量關(guān)系曲線分析，中渡的水位與流量關(guān)系，在相同水位條件下，中渡洪峰流量比1971年設(shè)計(jì)減少了1000多m3/s左右。金湖測(cè)站水位與流量關(guān)系顯示1990年、1991年、1996年相同流量時(shí)，水位比1971年設(shè)計(jì)抬高近0.5m，2003年在三河閘下泄8300m3/s左右時(shí)，金湖測(cè)站水位穩(wěn)定在11.96m左右，考慮區(qū)間來(lái)水，水位抬高在0.6m左右，相當(dāng)于減少行洪流量近2000多m3/s，與1996年趨勢(shì)基本一致。

圖1 現(xiàn)狀工況西側(cè)站點(diǎn)水位-流量關(guān)系線

1 模型試驗(yàn)研究

為了對(duì)淮河入江水道改道段的糙率進(jìn)行研究，制作了水平比尺1500，垂直比尺50，變率為30的河工模型。

1.1 灘地葦草模擬

河灘葦草現(xiàn)狀工況試驗(yàn)，首先在無(wú)草工況的模型上，對(duì)照地形圖在模型上相應(yīng)位置種植模擬葦草，并對(duì)照衛(wèi)星圖和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料進(jìn)行修正，然后模型通水進(jìn)行糙度的驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證選取了2008年8月3日實(shí)測(cè)流量6400 m3/s時(shí)15個(gè)站點(diǎn)水位資料作為糙度控制的校驗(yàn)參數(shù)，因?yàn)樵摃r(shí)段葦草狀況、地貌等與目前淮河入江水道（上段）金湖段現(xiàn)狀相似度大，時(shí)間也接近，因而作為校驗(yàn)現(xiàn)狀的參數(shù)指標(biāo)。

通過(guò)多次在模型上模擬葦草密度糙度等的調(diào)整修改試驗(yàn)，最終得到了與原型實(shí)測(cè)流量6400 m3/s時(shí)15個(gè)站點(diǎn)水位較一致模型水位，即此時(shí)模型糙度達(dá)到了葦草現(xiàn)狀工況時(shí)的模型糙度。為了保證該工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠，對(duì)此流量下河道糙度通過(guò)量測(cè)水位流量關(guān)系進(jìn)行了兩次復(fù)核。使模型葦草工況的模擬糙度是與原型現(xiàn)狀相一致。

1.2 灘地葦草工況試驗(yàn)

在灘地葦草現(xiàn)狀模擬好的基礎(chǔ)上按4個(gè)特征流量和對(duì)應(yīng)的下游廟溝測(cè)站水位分別進(jìn)行了過(guò)流試驗(yàn)，量測(cè)了各流量對(duì)應(yīng)的15個(gè)站點(diǎn)水位。

根據(jù)量測(cè)水位數(shù)據(jù)繪出淮河入江水道改道段東、西兩側(cè)站點(diǎn)水位與流量的關(guān)系線，分別見(jiàn)圖1和圖2。從圖中可以看出，各站點(diǎn)水位在6000～8000m3/s時(shí)增速較快，分析認(rèn)為過(guò)流6000m3/s以下時(shí)，水流以東、西偏泓過(guò)流為主，灘地過(guò)流為輔；過(guò)流6000～8000m3/s時(shí)，水流轉(zhuǎn)為東、西偏泓和灘地共同過(guò)流為主，這時(shí)由于灘地葦草等阻力較大，水位上升較快；過(guò)流8000～12000 m3/s時(shí)，葦草淹沒(méi)，過(guò)流斷面水面寬度也有一定增加，所以水位上升速度平緩。

由圖1、2可以看出，灘地葦草現(xiàn)狀工況，一些站點(diǎn)水位在中流量（6000～9000 m3/s）時(shí)超出設(shè)計(jì)水位，原因是葦草使得河道糙率的增加，水位升高。

圖2 現(xiàn)狀工況東側(cè)站點(diǎn)水位-流量關(guān)系線

2 葦草對(duì)河道糙率影響的分析

由于模型試驗(yàn)范圍較大，而且不是全部河道都有葦草覆蓋。為方便研究，取金湖測(cè)站下游的測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)研究。早期人們研究植被河道水流阻力關(guān)系時(shí)考慮了植被的形狀阻力，也考慮到了流量大小不同時(shí)植被對(duì)水流阻力的影響。如韓璐將流量概化為小流量、中流量、大流量三種：小流量即水深小于植被的高度，也就是非淹沒(méi)狀態(tài)；中流量即水深和植被高度相仿，水流漫過(guò)植被冠層；大流量即水深超過(guò)植被高度。由于中流量的情況阻力受到的影響因子很復(fù)雜，特別是植被的倒伏狀態(tài)對(duì)水流阻力的影響,還不能定量研究。因此本文僅以小流量和大流量的情況為例，探討植被對(duì)水流阻力的影響。利用資料中的如下公式（1）和公式（2）對(duì)淮河入江水道改道段的綜合糙率進(jìn)行分析，綜合糙率通過(guò)壁面糙率來(lái)表示，壁面糙率認(rèn)為是灘地?zé)o葦工況的糙率。

2.1 植被未淹沒(méi)情況綜合糙率公式

式中：nb—壁面糙率；

CD—植被的阻力系數(shù)；

AP—蘆葦覆蓋水體的俯視面積；

L—為所取隔離體的長(zhǎng)度；

圖3 流量-糙率關(guān)系

圖4 葦草現(xiàn)狀工況糙率-水深關(guān)系

圖5 現(xiàn)狀工況綜合糙率和水面覆蓋率Ki關(guān)系曲線

Ai—第i棵植被沿水流方向的正面面積，即阻水面積；

R—水力半徑；

H—水深；

B—河寬。

從公式（1）可以得出，綜合糙率n隨有植被覆蓋區(qū)域植被密度的平方根、水面植被覆蓋率的平方根以及水力半徑的2/3方成正比，底坡i對(duì)其沒(méi)有影響。

2.2 植被淹沒(méi)情況綜合糙率公式

式中：h—葦草高度。

其表現(xiàn)形式與植被未淹沒(méi)情況相似。n隨有植被覆蓋區(qū)域植被密度的平方根、水面植被覆蓋率的平方根以及水力半徑的2/3方成正比，底坡i對(duì)其沒(méi)有影響。但是也有區(qū)別，在同樣條件植被淹沒(méi)情況下，要比未淹沒(méi)情況的綜合糙率偏小。

根據(jù)以上公式和淮河入江水道改道段的綜合糙率的分析需要，選取計(jì)算斷面，斷面選取力求選取測(cè)站點(diǎn)所在的斷面，其次距離測(cè)站點(diǎn)很近的斷面，若測(cè)站點(diǎn)在兩個(gè)斷面之間，則取兩個(gè)斷面的平均值。將所選取的斷面按照比例擴(kuò)大成實(shí)際的尺寸，實(shí)測(cè)資料從各測(cè)站獲得，保證其真實(shí)性和準(zhǔn)確性，以此作為依據(jù)計(jì)算改道段糙率。再在確定的斷面上量取過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和濕周。

表1 現(xiàn)狀工況葦草水面覆蓋率和糙率計(jì)算值

2.3 糙率—流量關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)資料，對(duì)各流量在現(xiàn)狀工況下葦草淹沒(méi)情況進(jìn)行分析，并計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的糙率，不同流量下糙率隨流量的變化見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，葦草現(xiàn)狀工況的葦草綜合糙率隨著流量的增大而減小。究其原因，是由于隨著流量的增加水深加大，葦草對(duì)糙率影響相對(duì)減小。

2.4 糙率—水深關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)資料，對(duì)各流量在現(xiàn)狀工況下葦草淹沒(méi)情況進(jìn)行分析，并計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的糙率，對(duì)各流量在現(xiàn)狀工況下對(duì)應(yīng)的水深與糙率關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，糙率隨水深的變化見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，糙率隨著水深的增加而減小，這是由于水深增加，葦草對(duì)過(guò)流影響減小，糙率相對(duì)減小。

2.5 糙率和水面覆蓋率Ki之間的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)各流量在現(xiàn)狀工況下葦草淹沒(méi)情況進(jìn)行分析，并計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的糙率，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)平面圖和衛(wèi)星云圖計(jì)算出水面覆蓋率，計(jì)算值如表1。

從表1可以看出，葦草現(xiàn)狀工況，隨著水面覆蓋率Ki的增大，糙率計(jì)算值逐漸變小。圖5也可以看出水面覆蓋率Ki和糙率計(jì)算值成反比。

水面覆蓋率Ki和糙率計(jì)算值成反比。這是由于水面覆蓋率大，葦草占據(jù)河道的面積就小，對(duì)過(guò)流產(chǎn)生的影響小，河道糙率就小。

3 結(jié)語(yǔ)

淮河入江水道改道段因?yàn)楹拥赖陌稙┖椭鞑鄞裁嫔嫌兄脖?，?duì)河道過(guò)流會(huì)產(chǎn)生不利的影響：一方面，植物的存在增大了對(duì)水流的阻力，使河道的水位升高，減小了河道的過(guò)流能力；另一方面，植物的存在影響著水流結(jié)構(gòu)，并且控制著泥沙的輸運(yùn)。研究表明淮河入江水道改道段綜合糙率隨著流量的增大而變?。浑S著水深的增加而減??；隨著水面覆蓋率Ki的增大而減??；對(duì)比同一流量，隨著葦草密度的增大糙率增大