卵砾石推移质无量纲输沙率探究.docx

卵砾石推移质无量纲输沙率探究《水利水运工程学报》2014年第三期1基础资料处理将搜集的实测水力、泥沙因子等资料汇总并按流量大小以3000m3/s的步长进行分级统计共可分成22级。将各级差内的有关因子进行算术平均得到各级的流量、流速、水深等因子代表值(表1)。天然河道中因水面比降难以施测只能根据搜集到的资料(表2)拟合水面比降J与流量Q的关系。经拟合寸滩站Q-J关系可表示为:J=3．91Q－0．073(R2=0．923)。本文输沙率计算采用的水面比降均为拟合值。2现有推移质公式对比泥沙输移是水流运动的结果因此水流运动的强弱与泥沙输移强度有直接关系。按照钱宁的思路［6］可将各家公式转化为推移质输沙强度Φ和水流强度的函数再直接比较其相关性的优劣。其中推移质输沙强度:从各公式对长江寸滩站无量纲输沙率描述精确性来看Meyer-Peter公式的临界起动水流强度c=0．047大于大比降粗颗粒卵砾石的c=0．0275Fr导致计算值偏小;Ackres＆White和Fredsoe公式的c=0．029与c=0．0275Fr较为接近这两个公式的计算值也最为接近;Tsubaki公式将c定义为无因次起动切应力在中小输沙强度时该式计算值较大随着输沙强度的增大计算精度逐渐提高;Graf公式采用按水流强度分段描述输沙率且未考虑c对输沙率的影响导致该式在中小输沙强度时的计算值偏大。5个公式的计算值平均分散率依次为0．712．241．880．82和0．84可见Meyer-PeterTsubakiGraf公式的计算值精确度较差Fredsoe公式的计算值与实测结果最为接近Ackres＆White公式次之。3长江重庆河段推移质输沙公式3．1重庆河段推移质输沙公式拟合由于重庆河段流量、比降、流速、床面切应力大流态急水动力条件强有利于推移质的运动同时该河段的河床组成主要为粒径较大的卵砾石使床沙难以起动这两类导向相反的因素综合作用导致传统公式不能很好地描述其输沙规律［8］因此有必要在经典公式的基础上对其系数进行修正。同时由于Fredsoe公式的计算精度最高可根据该公式的推导原理结合实测数据优化公式系数得出适合长江重庆河段的输沙率公式。根据以往的泥沙起动研究成果推移质的运动强度与水流强度成正比与泥沙起动临界水流强度c成反比参照Fredsoe公式的思路。根据寸滩水文站实测数据(表1)对式(9)进行拟合拟合结果见式(10)从拟合效果来看22组数据中有13组数据与实测值的误差率小于10%拟合数据的残差平方和为0．882(图2)平均分散率为0．91拟合精度较传统公式有了进一步提高。3．2重庆河段推移质公式计算精度对比魏丽等［10］认为推移质输沙率与水流流速的高次方成正比并针对重庆河段的河段特性以水流流速为主要参数建立单宽推移质输沙率计算式:根据表1所列实测水力要素依次代入式(11)及式(1)可得相应的输沙强度并与本文计算式计算值进行对比将结果点绘于图3。由图3可见魏丽公式计算值在Φ＜10－3时要略大于实测值在Φ＞10－3时逐渐偏离分界线数倍小于实测值。本文计算式则能较好地分布在分界线两侧。这主要因为魏丽公式以水流流速作为公式计算的主要参数然而天然河流中与推移质输沙率关系密切的近底流速难以施测在实际研究中往往用近表面的平均流速代替同时输沙率增大是河段流速增大的结果。近底流速的增幅要大于表面流速因此输沙率越大根据平均流速计算的输沙率误差也越大。同时本文计算式的平均分散率0．91也要优于魏丽公式的0．83。由此可见本文计算式能很好地代表长江重庆河段实际卵石推移质输移采用本文计算式计算该河段推移质无量纲输沙率较以往公式计算精度有一定的提高。4结语(1)根据实测资料将现有较经典的推移质公式与实测值对比Meyer-Peter公式计算值较小Tsubaki公式、Graf公式计算值则偏大而Fredsoe公式、Ackres＆White公式计算值较接近。(2)参照Fredsoe公式的思路以与c为主要参数来建立输沙公式假设推移质的输移量与水流的有效运动强度成幂次关系得到长江重庆河段推移质无量纲输沙率计算式形式然后通过该河段实测水力要素拟合公式内系数得到适用于长江重庆河段的输沙率计算式。(3)利用实测资料对各公式计算准确性进行对比结果表明在计算长江重庆河段输沙率时本文计算式的精度要优于经典公式和针对该河段的魏丽公式可为长江重庆河段推移质输沙率的计算提供参考。同时本文的研究方法也可为同类河段输沙率研究提供借鉴。作者：楚万强曹明伟单位：小流域水利河南省高校工程技术研究中心黄河水利职业技术学院