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《水利水運(yùn)工程學(xué)報》2014年第三期

1基礎(chǔ)資料處理

將搜集的實(shí)測水力、泥沙因子等資料匯總，并按流量大小，以3000m3/s的步長進(jìn)行分級統(tǒng)計(jì)，共可分成22級。將各級差內(nèi)的有關(guān)因子進(jìn)行算術(shù)平均，得到各級的流量、流速、水深等因子代表值(表1)。天然河道中，因水面比降難以施測，只能根據(jù)搜集到的資料(表2)擬合水面比降J與流量Q的關(guān)系。經(jīng)擬合，寸灘站Q-J關(guān)系可表示為:J=3．91Q－0．073(R2=0．923)。本文輸沙率計(jì)算采用的水面比降均為擬合值。

2現(xiàn)有推移質(zhì)公式對比

泥沙輸移是水流運(yùn)動的結(jié)果，因此水流運(yùn)動的強(qiáng)弱與泥沙輸移強(qiáng)度有直接關(guān)系。按照錢寧的思路［6］，可將各家公式轉(zhuǎn)化為推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度Φ和水流強(qiáng)度Θ的函數(shù)，再直接比較其相關(guān)性的優(yōu)劣。其中，推移質(zhì)輸沙強(qiáng)度:從各公式對長江寸灘站無量綱輸沙率描述精確性來看，Meyer-Peter公式的臨界起動水流強(qiáng)度Θc=0．047，大于大比降粗顆粒卵礫石的Θc=0．0275Fr，導(dǎo)致計(jì)算值偏小;Ackres＆White和Fredsoe公式的Θc=0．029，與Θc=0．0275Fr較為接近，這兩個公式的計(jì)算值也最為接近;Tsubaki公式將Θc定義為無因次起動切應(yīng)力，在中小輸沙強(qiáng)度時，該式計(jì)算值較大，隨著輸沙強(qiáng)度的增大，計(jì)算精度逐漸提高;Graf公式采用按水流強(qiáng)度分段描述輸沙率，且未考慮Θc對輸沙率的影響，導(dǎo)致該式在中小輸沙強(qiáng)度時的計(jì)算值偏大。5個公式的計(jì)算值平均分散率依次為0．71，2．24，1．88，0．82和0．84，可見Meyer-Peter，Tsubaki，Graf公式的計(jì)算值精確度較差，F(xiàn)redsoe公式的計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果最為接近，Ackres＆White公式次之。

3長江重慶河段推移質(zhì)輸沙公式

3．1重慶河段推移質(zhì)輸沙公式擬合由于重慶河段流量、比降、流速、床面切應(yīng)力大，流態(tài)急，水動力條件強(qiáng)有利于推移質(zhì)的運(yùn)動，同時，該河段的河床組成主要為粒徑較大的卵礫石，使床沙難以起動，這兩類導(dǎo)向相反的因素綜合作用，導(dǎo)致傳統(tǒng)公式不能很好地描述其輸沙規(guī)律［8］，因此有必要在經(jīng)典公式的基礎(chǔ)上對其系數(shù)進(jìn)行修正。同時，由于Fredsoe公式的計(jì)算精度最高，可根據(jù)該公式的推導(dǎo)原理，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化公式系數(shù)，得出適合長江重慶河段的輸沙率公式。根據(jù)以往的泥沙起動研究成果，推移質(zhì)的運(yùn)動強(qiáng)度與水流強(qiáng)度Θ成正比，與泥沙起動臨界水流強(qiáng)度Θc成反比，參照Fredsoe公式的思路。根據(jù)寸灘水文站實(shí)測數(shù)據(jù)(表1)對式(9)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見式(10)，從擬合效果來看，22組數(shù)據(jù)中有13組數(shù)據(jù)與實(shí)測值的誤差率小于10%，擬合數(shù)據(jù)的殘差平方和為0．882(圖2)，平均分散率為0．91，擬合精度較傳統(tǒng)公式有了進(jìn)一步提高。

3．2重慶河段推移質(zhì)公式計(jì)算精度對比魏麗等［10］認(rèn)為推移質(zhì)輸沙率與水流流速的高次方成正比，并針對重慶河段的河段特性，以水流流速為主要參數(shù)建立單寬推移質(zhì)輸沙率計(jì)算式:根據(jù)表1所列實(shí)測水力要素，依次代入式(11)及式(1)，可得相應(yīng)的輸沙強(qiáng)度，并與本文計(jì)算式計(jì)算值進(jìn)行對比，將結(jié)果點(diǎn)繪于圖3。由圖3可見，魏麗公式計(jì)算值在Φ＜10－3時要略大于實(shí)測值，在Φ＞10－3時，逐漸偏離分界線，數(shù)倍小于實(shí)測值。本文計(jì)算式則能較好地分布在分界線兩側(cè)。這主要因?yàn)槲蝴惞揭运髁魉僮鳛楣接?jì)算的主要參數(shù)，然而天然河流中，與推移質(zhì)輸沙率關(guān)系密切的近底流速難以施測，在實(shí)際研究中往往用近表面的平均流速代替，同時，輸沙率增大是河段流速增大的結(jié)果。近底流速的增幅要大于表面流速，因此，輸沙率越大，根據(jù)平均流速計(jì)算的輸沙率誤差也越大。同時，本文計(jì)算式的平均分散率0．91也要優(yōu)于魏麗公式的0．83。由此可見，本文計(jì)算式能很好地代表長江重慶河段實(shí)際卵石推移質(zhì)輸移，采用本文計(jì)算式計(jì)算該河段推移質(zhì)無量綱輸沙率較以往公式計(jì)算精度有一定的提高。

4結(jié)語

(1)根據(jù)實(shí)測資料，將現(xiàn)有較經(jīng)典的推移質(zhì)公式與實(shí)測值對比，Meyer-Peter公式計(jì)算值較小，Tsubaki公式、Graf公式計(jì)算值則偏大，而Fredsoe公式、Ackres＆White公式計(jì)算值較接近。(2)參照Fredsoe公式的思路，以Θ與Θc為主要參數(shù)來建立輸沙公式，假設(shè)推移質(zhì)的輸移量與水流的有效運(yùn)動強(qiáng)度成冪次關(guān)系，得到長江重慶河段推移質(zhì)無量綱輸沙率計(jì)算式形式，然后通過該河段實(shí)測水力要素?cái)M合公式內(nèi)系數(shù)，得到適用于長江重慶河段的輸沙率計(jì)算式。(3)利用實(shí)測資料對各公式計(jì)算準(zhǔn)確性進(jìn)行對比，結(jié)果表明，在計(jì)算長江重慶河段輸沙率時，本文計(jì)算式的精度要優(yōu)于經(jīng)典公式和針對該河段的魏麗公式，可為長江重慶河段推移質(zhì)輸沙率的計(jì)算提供參考。同時，本文的研究方法也可為同類河段輸沙率研究提供借鑒。

作者：楚萬強(qiáng)曹明偉單位：小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院