紅水河巖石河床的垂線流速分布的分析.docx

1、水文水能紅水河巖石河床的垂線流速分布的分析游榮西（廣西壯族自治區(qū)柳州水文分站）I文摘】巖石河床崎嶇不平，水流非常素亂其垂線流速分布不完全適合于卡門(mén)對(duì)數(shù)流速分布公式，如果按照水文測(cè)監(jiān)規(guī)范規(guī)定的方法去測(cè)驗(yàn)，多數(shù)方法將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，從而使流量產(chǎn)生偏大或偏小的可能性，導(dǎo)致上,下游水量不平街現(xiàn)象.經(jīng)過(guò)分析紅水河上兩個(gè)水文站的奏料，從中引出最佳測(cè)流方案,同時(shí)否定一些不適合于巖石河床特性的測(cè)驗(yàn)方法.關(guān)鍵詢J嶺叢峰林孤峰卡門(mén)紊亂精度0引言紅水河是珠江干流,發(fā)源于云南省曲靖市西北部的馬雄山麓。它是指從南、北盤(pán)江交匯后的貴州省望謨縣蔗香起，到廣西象州縣石龍鎮(zhèn)下游約5km處的三江口止的河段。紅水柯屬于典型的窄深

2、河流，橫貫廣西中部,經(jīng)歷巖溶峰必、蜂林、孤峰等3大紀(jì)地段。河床由炭酸鹽類巖石組成，具有可溶性，由于亞熱?帶的高溫多雨氣候和水流的沖擊致使河床切割深（遷江站上游河床最低點(diǎn)高程為負(fù)珠江基面5m）,河床巖石崎嶇不平、千姿百態(tài)、水深流急、水流素亂，給水文測(cè)驗(yàn)工作帶來(lái)相當(dāng)大的困難。1基本情況1.1遷江站遷江站位于紅水河的下河段，流量測(cè)驗(yàn)是用纜道自動(dòng)輸送儀器，鉛魚(yú)重量250kg,測(cè)點(diǎn)位置未加懸索偏角改正起點(diǎn)距位置固定,精測(cè)法以五點(diǎn)法為主.但因是巖石河床,測(cè)河底附近測(cè)點(diǎn)時(shí)會(huì)有碰撞儀器的可能，所以當(dāng)水深足夠時(shí)也有個(gè)別垂線施測(cè)三點(diǎn)法的。該站設(shè)立已有半個(gè)多世紀(jì)，但在1988年8月，出現(xiàn)一場(chǎng)有水文資料以來(lái)的最大洪水

3、，其重現(xiàn)期約為30年一遇，并且獲得更高水位的精測(cè)法資料（距峰頂僅差色08m）.給這次分析研究提供了寶貴的依據(jù)。該站目前使用的常測(cè)法是0.2d,0.8d的兩點(diǎn)法，并且經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)分析,具有一定的誤差控制范圍，測(cè)量成果精度是較高的。但有時(shí)為了搶測(cè)洪水及下游清水河造成的變動(dòng)回水頂托變化過(guò)程，個(gè)別也有用0,6d一點(diǎn)法或水面一點(diǎn)法混雜施測(cè)，上述兩種方法需經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)分析雖存在較大的允許誤差,但因有精度較高的測(cè)點(diǎn)控制，所以影響不大。1.2綠建站綠建站位于紅水河的中河段，是都安站的平衡對(duì)比觀測(cè)站，都安站因測(cè)驗(yàn)條件惡劣.已于1991年撤消，繼而以綠建站取而代之。綠建站流量測(cè)驗(yàn)情況，和遷江站第一點(diǎn)相同，故不重述。該站目

4、前使用的常測(cè)法是58條的2d,08d的兩點(diǎn)法,未經(jīng)精簡(jiǎn)分析，本身就無(wú)法確定有多少誤差存在，所以很難衡量流量成果精度。2分析計(jì)算2.1理論分析在流速儀測(cè)流方法中，影響垂線平均流速測(cè)算精度的因素很多，現(xiàn)僅談主要因素之一的流速測(cè)點(diǎn)分布多少而引起垂線平均流速計(jì)算上的誤差問(wèn)題。垂線流速分布曲線，常見(jiàn)的有指數(shù)分布、對(duì)數(shù)分布等，下面談卡門(mén)對(duì)數(shù)流速分布公式：u=/+知。(1)VoV*式中:V垂線上距河底y處的流速；-垂線上水面流速；動(dòng)力流速】-卡門(mén)常數(shù)，&自河底算起y處的相對(duì)水深。根據(jù)上式用積分法求垂線平均流速（其中包括某些變量的假定及定量等）得：V=116+0.267也。式中:V.垂線平均流速,其余

5、符號(hào)同上。當(dāng)V.=l時(shí)占與V的關(guān)系如表1,據(jù)此得出卡門(mén)對(duì)數(shù)流速分布曲線特性為，從水面起往下算流速逐步遞減且測(cè)點(diǎn)流速與垂線平均流速的比值成直線關(guān)系.這就是水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范規(guī)定2.2實(shí)測(cè)資料的分析首先將高、中、低3級(jí)水位的精測(cè)法流量選出，除去用三點(diǎn)法測(cè)速的垂線,剩下的五點(diǎn)法測(cè)速垂線全部參加分析，因受巖石河床影響，一般來(lái)說(shuō)都比較固定,所以按相同的起點(diǎn)距和順序來(lái)點(diǎn)繪水深與流速的關(guān)系，便于垂直和橫向比較，定線時(shí)采取先易后難原則，先確定關(guān)系點(diǎn)子密集的曲線，然后再排除偶然誤差影響的個(gè)別測(cè)點(diǎn)的垂線，從中發(fā)現(xiàn)，除相同的起點(diǎn)距線形變化很接近外，相鄰的起點(diǎn)跑統(tǒng)形也大致有關(guān)系。其次，用圖解法或分析法（經(jīng)過(guò)曲線勻修后-的測(cè)

6、點(diǎn)）來(lái)計(jì)算垂線平均流速，和將全斷面按近似相同變化的曲線來(lái)綜合（用相對(duì)位置）。具體做法是，將（2）式8移項(xiàng)，得已=L116+。267也，設(shè)Vh=1時(shí),&又已知，求得表1。然后將實(shí)測(cè)資料代入上式左邊項(xiàng)，求得各種類型曲線的各個(gè)部位的實(shí)測(cè)V值,并計(jì)算出各種不同測(cè)點(diǎn)下的垂線平均流速。又和利用表1值計(jì)算出各種不同測(cè)點(diǎn)下的垂線平均流速，以后者為衡量標(biāo)準(zhǔn),即可得出不同類型曲線與卡門(mén)對(duì)數(shù)分布曲線的相對(duì)誤差，如表2所列。并將各種類型曲線點(diǎn)繪到比較圖1,2上。的各種垂線平均流速計(jì)算公式的理論依據(jù)也是本文分析的標(biāo)準(zhǔn)曲線。C1.00.90.80.70.6V1.116L1041.0901.0751.057,表1當(dāng)

7、Ve=1時(shí)&與V的關(guān)系表t0.50.40.30.20.10.01V1.0361.0100.9760.9290.8490.582困1遷江站各類曲線比較圖圖2綠建站各類曲殘比枝圖差我們做了精簡(jiǎn)測(cè)點(diǎn)流速引起的流量誤差計(jì)算，如表3所列，作為分析上，下游水量平衡的一項(xiàng)定性方面的工作。艮3綠建沖精簡(jiǎn)測(cè)點(diǎn)流速引起波*的誤爰表艮2各種方法計(jì)耳垂線平均流速的相對(duì)誤羞（%）表It日期水位精測(cè)法。.幻addN點(diǎn)苗源速計(jì)算黑的誑誤是%1990.6,3。132.561361十«.8199Q.7.29US.461151+C.9199S8.1212S.241151+0.4曲H奧形方法三點(diǎn)法利點(diǎn)法點(diǎn)法母）一

8、點(diǎn)法水BD任江,形0.40.5Q.37.7D形0.6a.31-22.2電月形1.90.54.914.8S形4.41.211.0一5.4*D形2.3L54.0.一土2D形3-3Ld8.0一如0宰月形4.QZCS0-13.63幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)以巖石河床由于有它的特殊性.并且糙率比較大.洪水時(shí)部分垂線的0.8d流速大于2d的，所以垂線流速分布不完全適合于卡門(mén)對(duì)數(shù)流速分布公式，具體是了三點(diǎn)法、兩點(diǎn)法,。6d一點(diǎn)法等的3種方法都將使系統(tǒng)偏大。水面一點(diǎn)法的流速系數(shù)不是9,而是接近于1或大于1的變幅，故水面一點(diǎn)法將使系統(tǒng)偏小。b對(duì)于0.8d的流夜大于0.2d的問(wèn)題及河底高程為負(fù)珠江基面的問(wèn)題我們?cè)鴮?shí)地考察過(guò)遷江站的

9、測(cè)驗(yàn)河段，原舊東渡碼頭左岸處有一座小石山延伸到河中，約占去河寬的1/2.水流遇著小石山的阻擋，無(wú)法向上運(yùn)動(dòng).但水為了出路，當(dāng)然往底下強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng),所以逐漸淘空腳下，故水底的流速大于水面和河底高程出現(xiàn)負(fù)珠江基面高程，二者是符合實(shí)際情況的又例如黔江武宣站，同樣是巖石河床，比降下斷面處于急彎河段，由于水流高心力的作用，凹岸的流再有，表2所列的僅僅是流速的誤差還達(dá)不到目的.我們最終是求取流量的誤差，因?yàn)榫G建站目前資料短缺，暫時(shí)還不能進(jìn)行估算，但為了探索該站目前使用的未經(jīng)精簡(jiǎn)分折的常測(cè)法誤速大，故沖刷嚴(yán)重，河底高程也趨近于珠江基面高程。也進(jìn)一步說(shuō)明巖石河床的斷面，0.8d的流速有個(gè)別會(huì)大于2d的，這是事實(shí)

10、的存在,并不是什么測(cè)驗(yàn)誤差造成的.從遷江、綠建兩站的誤差分布來(lái)看，三點(diǎn)法的誤差要比兩點(diǎn)法的為大.o.6d一點(diǎn)法的誤差更大，所以最佳測(cè)流方案應(yīng)該是兩點(diǎn)法。c.綠建站現(xiàn)用的兩點(diǎn)法常測(cè)法,從流速咱度來(lái)講，平均誤差為1.5%.引起流量的誤差為Oz",如表3所列.井且有防水荷的升高而遞增的趨勢(shì).另外，199。年精測(cè)法水位的幅度并不高.距最高水位還差6m,很難設(shè)想其誤差數(shù)值.但從誤差符號(hào)分布來(lái)看是系統(tǒng)偏大無(wú)疑。又從，上、下游站水量平衡來(lái)看，用面積倍比法對(duì)照（馬隴、古蓬兩站控制面積很小，暫可忽略）'也說(shuō)明綠建站的流量是偏大的，如表4所列.偏大的部位,從圖中可以看出，主要是水底部分。和41990年上、下游為水量平面對(duì)照我站名平均流量<m5/s)徑流量綠建+馬既一古蓬1S1Q5?2遷江183057?-區(qū)間來(lái)水量仃（）1.11n.9注，區(qū)間面積為4.1?3.山今后為了進(jìn)一步探討巖石呵床的垂線流建分布，建議