淮河入江水道改道段综合糙率分析研究

刘 松周维军奚 斌张 瑾（.淮安市水利局 淮安 5009 .江苏省水利勘测设计研究院有限公司 扬州 5000 .扬州大学水利科学与工程学院 扬州 5009）

淮河入江水道改道段综合糙率分析研究

刘 松1周维军2奚 斌3张 瑾3
（1.淮安市水利局 淮安 225009 2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司 扬州 225000 3.扬州大学水利科学与工程学院 扬州 225009）

为了研究淮河入江水道改道段的苇草对其综合糙率的影响，本文通过河工模型试验采集了分析所需数据，利用资料提出的公式从流量、水位、水面覆盖率三方面对其综合糙率进行了计算分析。得出淮河入江水道改道段的综合糙率随着流量的增大而变小，随着水深的增加而减小，随着水面覆盖率ki的增大而减小的规律。

淮河入江水道 糙率 苇草 淹没度 研究

天然河道的漫滩上生长着各种植物，这些植物对水流运动有着不可忽视的影响。由于植被的存在，加大了河道的糙率，改变了河道水流的流态，影响着河道的行洪能力。对于以泄洪为主的河道，植被增加了水流阻力，增大了河床糙率，降低了水流流速，减小了河槽过水断面，导致河道水位上升和泥沙淤积，不利于防洪。因此对生长苇草的泄洪河道糙率进行研究分析具有重要意义。

淮河入江水道1969年按行洪流量12000m3/s的标准设计时，全线采用0.025的综合糙率，推算了沿程水位。1971年总体设计中，根据1971年行洪6000m3/s时测验分析的糙率对沿程水位作了适当调整，以后一直将该设计水位沿用至今。1991年大水后实施的加固工程和2003年灾后重建是按原设计水位加固堤防，基本上没有涉及河道整治，也未调整设计水位和糙率。通过入江水道几十年来的运行，行洪水位一直偏高，大水年份矛盾十分突出。

入江水道三河至高邮湖改道段长18km，滩地苇草长势旺、密度大。经过10多年以耕代清，有效抑制了芦柴生长，但大墩岭、施尖滩等地势较低的滩地，芦柴长势依然茂盛，对行洪仍有不容忽视的影响。据1990年、1991年、1996年、2003年汛期，中渡水位～流量关系曲线及金湖水位～流量关系曲线分析，中渡的水位与流量关系，在相同水位条件下，中渡洪峰流量比1971年设计减少了1000多m3/s左右。金湖测站水位与流量关系显示1990年、1991年、1996年相同流量时，水位比1971年设计抬高近0.5m，2003年在三河闸下泄8300m3/s左右时，金湖测站水位稳定在11.96m左右，考虑区间来水，水位抬高在0.6m左右，相当于减少行洪流量近2000多m3/s，与1996年趋势基本一致。

图1 现状工况西侧站点水位-流量关系线

1 模型试验研究

为了对淮河入江水道改道段的糙率进行研究，制作了水平比尺1500，垂直比尺50，变率为30的河工模型。

1.1 滩地苇草模拟

河滩苇草现状工况试验，首先在无草工况的模型上，对照地形图在模型上相应位置种植模拟苇草，并对照卫星图和现场调查资料进行修正，然后模型通水进行糙度的验证试验。验证选取了2008年8月3日实测流量6400 m3/s时15个站点水位资料作为糙度控制的校验参数，因为该时段苇草状况、地貌等与目前淮河入江水道（上段）金湖段现状相似度大，时间也接近，因而作为校验现状的参数指标。

通过多次在模型上模拟苇草密度糙度等的调整修改试验，最终得到了与原型实测流量6400 m3/s时15个站点水位较一致模型水位，即此时模型糙度达到了苇草现状工况时的模型糙度。为了保证该工况下试验数据的可靠，对此流量下河道糙度通过量测水位流量关系进行了两次复核。使模型苇草工况的模拟糙度是与原型现状相一致。

1.2 滩地苇草工况试验

在滩地苇草现状模拟好的基础上按4个特征流量和对应的下游庙沟测站水位分别进行了过流试验，量测了各流量对应的15个站点水位。

根据量测水位数据绘出淮河入江水道改道段东、西两侧站点水位与流量的关系线，分别见图1和图2。从图中可以看出，各站点水位在6000～8000m3/s时增速较快，分析认为过流6000m3/s以下时，水流以东、西偏泓过流为主，滩地过流为辅；过流6000～8000m3/s时，水流转为东、西偏泓和滩地共同过流为主，这时由于滩地苇草等阻力较大，水位上升较快；过流8000～12000 m3/s时，苇草淹没，过流断面水面宽度也有一定增加，所以水位上升速度平缓。

由图1、2可以看出，滩地苇草现状工况，一些站点水位在中流量（6000～9000 m3/s）时超出设计水位，原因是苇草使得河道糙率的增加，水位升高。

图2 现状工况东侧站点水位-流量关系线

2 苇草对河道糙率影响的分析

由于模型试验范围较大，而且不是全部河道都有苇草覆盖。为方便研究，取金湖测站下游的测站点数据进行详细研究。早期人们研究植被河道水流阻力关系时考虑了植被的形状阻力，也考虑到了流量大小不同时植被对水流阻力的影响。如韩璐将流量概化为小流量、中流量、大流量三种：小流量即水深小于植被的高度，也就是非淹没状态；中流量即水深和植被高度相仿，水流漫过植被冠层；大流量即水深超过植被高度。由于中流量的情况阻力受到的影响因子很复杂，特别是植被的倒伏状态对水流阻力的影响,还不能定量研究。因此本文仅以小流量和大流量的情况为例，探讨植被对水流阻力的影响。利用资料中的如下公式（1）和公式（2）对淮河入江水道改道段的综合糙率进行分析，综合糙率通过壁面糙率来表示，壁面糙率认为是滩地无苇工况的糙率。

2.1 植被未淹没情况综合糙率公式

式中：nb—壁面糙率；

CD—植被的阻力系数；

AP—芦苇覆盖水体的俯视面积；

L—为所取隔离体的长度；

图3 流量-糙率关系

图4 苇草现状工况糙率-水深关系

图5 现状工况综合糙率和水面覆盖率Ki关系曲线

Ai—第i棵植被沿水流方向的正面面积，即阻水面积；

R—水力半径；

H—水深；

B—河宽。

从公式（1）可以得出，综合糙率n随有植被覆盖区域植被密度的平方根、水面植被覆盖率的平方根以及水力半径的2/3方成正比，底坡i对其没有影响。

2.2 植被淹没情况综合糙率公式

式中：h—苇草高度。

其表现形式与植被未淹没情况相似。n随有植被覆盖区域植被密度的平方根、水面植被覆盖率的平方根以及水力半径的2/3方成正比，底坡i对其没有影响。但是也有区别，在同样条件植被淹没情况下，要比未淹没情况的综合糙率偏小。

根据以上公式和淮河入江水道改道段的综合糙率的分析需要，选取计算断面，断面选取力求选取测站点所在的断面，其次距离测站点很近的断面，若测站点在两个断面之间，则取两个断面的平均值。将所选取的断面按照比例扩大成实际的尺寸，实测资料从各测站获得，保证其真实性和准确性，以此作为依据计算改道段糙率。再在确定的断面上量取过水断面面积和湿周。

表1 现状工况苇草水面覆盖率和糙率计算值

2.3 糙率—流量关系

根据试验资料，对各流量在现状工况下苇草淹没情况进行分析，并计算出其对应的糙率，不同流量下糙率随流量的变化见图3。由图3可以看出，苇草现状工况的苇草综合糙率随着流量的增大而减小。究其原因，是由于随着流量的增加水深加大，苇草对糙率影响相对减小。

2.4 糙率—水深关系

根据试验资料，对各流量在现状工况下苇草淹没情况进行分析，并计算出其对应的糙率，对各流量在现状工况下对应的水深与糙率关系进行数据分析，糙率随水深的变化见图4。

由图4可以看出，糙率随着水深的增加而减小，这是由于水深增加，苇草对过流影响减小，糙率相对减小。

2.5 糙率和水面覆盖率Ki之间的关系

根据试验数据，对各流量在现状工况下苇草淹没情况进行分析，并计算出其对应的糙率，同时通过试验平面图和卫星云图计算出水面覆盖率，计算值如表1。

从表1可以看出，苇草现状工况，随着水面覆盖率Ki的增大，糙率计算值逐渐变小。图5也可以看出水面覆盖率Ki和糙率计算值成反比。

水面覆盖率Ki和糙率计算值成反比。这是由于水面覆盖率大，苇草占据河道的面积就小，对过流产生的影响小，河道糙率就小。

3 结语

淮河入江水道改道段因为河道的岸滩和主槽床面上有植被，对河道过流会产生不利的影响：一方面，植物的存在增大了对水流的阻力，使河道的水位升高，减小了河道的过流能力；另一方面，植物的存在影响着水流结构，并且控制着泥沙的输运。研究表明淮河入江水道改道段综合糙率随着流量的增大而变小；随着水深的增加而减小；随着水面覆盖率Ki的增大而减小；对比同一流量，随着苇草密度的增大糙率增大