卵砾石推移质无量纲输沙率探究范文

《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Θ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Θc=0．047，大于大比降粗颗粒卵砾石的Θc=0．0275Fr，导致计算值偏小;Ackres＆White和Fredsoe公式的Θc=0．029，与Θc=0．0275Fr较为接近，这两个公式的计算值也最为接近;Tsubaki公式将Θc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Θc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0．71，2．24，1．88，0．82和0．84，可见Meyer-Peter，Tsubaki，Graf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Θ成正比，与泥沙起动临界水流强度Θc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Θ与Θc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