比降面积测流法在清水河洪峰流量中的应用

张良

（河北省张家口水文水源勘测局，张家口 075000）

比降面积测流法在清水河洪峰流量中的应用

张良

（河北省张家口水文水源勘测局，张家口 075000）

由清水河实测洪峰流量反推求糙率，并以水力坡度为参数建立平均水深—糙率关系线，利用水深—糙率关系线查得的糙率用比降面积测流法对清水河洪峰流量进行了分析，能够满足流量测验精度的要求，具有一定的实用价值。

比降面积测流法；糙率；洪峰流量；清水河

1 比降面积法

1.1 定义

比降面积测流法是流速面积法的一种，是经测量比降，用水力学公式计算河段平均流速，测量河段的平均断面面积，并将平均流速与平均断面面积的乘积计算流量。在比降面积测流法中，在顺直河段上，若各个断面的过水面积变化不大，可忽略各断面流速水头的变化［1］，可将水面比降代替能面比降。水面比降可以由上、下游比降水尺水位之差求得，水力半径可以由面积除以湿周求得，而面积可以在断面图查得水深或实测水深乘以水面宽加权计算得出，在这些值一定时候，糙率的取值对结果十分重要。

1.2 糙率的推求

糙率是反映河床及边壁形状不规则和粗糙程度对水流的影响，是表征边界表面影响水流阻力各种因素的一个综合系数。在实际工作中糙率经常通过流量反推出来，采用曼宁公式［2］，即

式中Q为断面流量（m3/s）；v为断面平均流速（m/s）；A为过水断面面积（m2）；n为糙率；R为过水断面水力半径（m）；S为断面间的水面比降。

1.3 糙率的主要影响因素

1.3.1 水力半径

水力半径参数湿周的计算相对比较复杂，经常采用简化方法求解。对于较普遍的U型槽，在宽深比大于66.3时，可采用断面平均水深代替水力半径进行计算，成果系统误差不超过2%［3］。

1.3.2 断面水深

在河段顺直、河床稳定时候，可建立水位糙率关系线。在河流冲淤变化较大时候，水位与水深相比，水深与糙率建立关系相对较好。

1.3.3 河床的坡度及组成

在顺直河段，纵坡坡度在忽略不计情况下，水面比降成为影响糙率的一项重要因素。此外，河床组成、颗粒大小也是影响糙率的重要因素之一。

2 清水河应用实例

2.1 流域概况

清水河又名通桥河，属于洋河支流，为山区性河流，发源于张北县与崇礼县交接的桦皮岭一带，主要由东沟、正沟和西沟3条支流组成，在崇礼县朝天洼汇合后，穿过张家口市区和宣化县姚家房乡至清水河村附近注入洋河，总流域面积2360km2，主河道长109km，宽100～150m［4-5］。

2.2 流量

选取清水河流域1996～2005年发生的9次较大洪水，流量在250m3/s以上，用弗劳德数判定河流形态均为急流。张家口水文站是清水河下游控制站，控制面积2300km2，能够控制流域内径流变化。比降上、下断面范围内河段顺直，断面间距100m，河段内沿程水头损失可忽略不计，河床主要由砂及卵石组成，属于经常性冲淤河道。

比降面积测流法关键是糙率的推求，在利用流量反推糙率过程中宽深比大于66.3时采用断面平均水深代替水力半径，清水河在1996～2005年间选取的洪峰测次断面有冲淤变化，糙率与水位关系较差，无法建立关系如图1，因此将糙率与平均水深进行了关系线绘制如图2。

图1 水位—糙率关系

图2 平均水深—糙率关系

由图2可看出，数据主要分成了两部分，其影响因素是多方面的。除去测验误差、断面冲刷之外，还受水面比降的影响。一般来说，在平均水深相同的情况下，水面比降大则糙率大，反之越小。因此，以水面比降为参数定出两条平均水深糙率关系线，洪峰计算成果如表1。

表1 洪峰流量成果计算

从表1中计算结果可以看出，加入水面比降参数以后，计算流量与实测洪峰流量误差较小，均在±8%以内，能够满足流量测验精度的要求。产生误差主要原因是曼宁公式使用条件是假定实际情况为恒定均匀流，再加上山区性河流水位暴涨暴落，同一时间内水位变化幅度大，水位观测有一定误差，以及采用断面平均水深代替水力半径等因素造成。

3 结语

（1）比降面积测流法中的参数糙率受到很多因素影响，应该努力减少测验误差，根据清水河实际情况，绘制以水面比降为参数的平均水深—糙率关系线，由关系线查得糙率。再用曼宁公式推求清水河的洪峰流量，与常规测法施测的洪峰流量进行比较，相对误差较小，可应用于清水河洪峰流量推求。

（2）由于清水河洪峰涨落变化较快，人员常规施测洪峰有一定危险性，而比降面积测流法不仅能比较快速而又准确地得出洪峰流量，缩短通知相关部门时间，也能保证人员安全又减少人员伤亡和财产损失，可以作为一种有效的测洪手段。

［1］林传真，周忠远.水文测验与查勘［M］.南京：河海大学出版社，1987.

［2］吴持恭.水力学［M］.北京：高等教育出版社，1982.

［3］付晓忠，张红艳.用平均水深代替水力半径的流量计算误差的探讨［J］.吉林水利，2008（4）.

［4］岳愚．张家口地区水利志［M］.天津：天津大学出版社，1993．

［5］张家口市水务局，张家口水文水资源勘测局．河北省张家口市水资源评价报告［R］．2008．

Application of Slope-area Discharge Measurement in Qingshui River Peak Flow

ZHANG Liang
（Hydrology and Water Resources Bureau of Zhangjiakou，Zhangjiakou 075000，China）

Obtaining roughness by the measured peak flow of Qingshui River，and seting average water depth-roughness curve by using the hydraulic gradient as parameters，analyzed Qingshui River peak flow ratio by slope area discharge measurement，roughness is by using the water depth and roughness curve to get，this method can meet the precision requirements in flow test and has certain practical value.

slope-area discharge measurement；roughness；peak flow；Qingshui River

TV122

B

1672-9900（2014）03-0030-02

2014-03-06

张良（1982-），男（汉族），河北行唐人，工程师，主要从事水文水资源工作，（Tel）15830591811。