南水北调中线总干渠冰盖糙率观测分析

doi:10.11988/ckyyb.20240121

摘要/Abstract

摘要：

冰盖糙率是确定渠道冰期输水水位和流量关系的基础参数,一直是明渠冰工程研究的重点之一。鉴于当前大型混凝土渠道冰盖糙率研究成果相当匮乏,以南水北调中线总干渠石家庄以北唯一无输水建筑物的唐河节制闸—放水河节制闸渠段为研究区域,依据全线通水以来唯一生成全渠段封冻冰盖的2016年1—2月逐日水位和流量实测数据,采用伯努利能量方程和谢才-曼宁公式推求渠道糙率,定性定量分析封冻前后渠道糙率变化特征。结果表明:①研究渠段畅流期渠道糙率n_b为0.016 7,封冻期冰盖综合糙率n_c为0.014 6,冰盖下表面糙率n_i为0.011 8。②由于水力磨蚀作用,封冻期冰盖糙率随时间呈波动减小的趋势。③渠道一旦生成封冻冰盖,输水能力大幅降低,仅占渠道设计流量的66.7%。该研究给出了大型混凝土渠道封冻冰盖糙率和输水能力降低的确切数值,以期为冰期输水调度和类似工程设计提供科学依据。

关键词: 南水北调中线工程, 冰盖糙率, 渠道糙率, 输水能力, 水头损失

Abstract:

As a research focus for ice-involved open channel projects, the roughness of ice cover is a fundamental parameter for determining the relationship between water level and discharge in open channels during freezing period. Given the current lack of data on ice sheet roughness in large-scale concrete channels, we investigated the channel section between Tanghe sluice gate and Fangshui sluice gate of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project in the north of Shijiazhuang as a case study. Utilizing daily measured data of water level and flow rate from January to February 2016, we employed the Bernoulli energy equation and the Xie Cai-Manning formula to estimate channel roughness and analyze the changes in roughness before and after freezing, both qualitatively and quantitatively. The results are as follows: 1) The roughness coefficient n_b of the studied channel during free-flow period is 0.016 7. The average comprehensive roughness n_c of the ice sheet during freezing period is 0.014 6, and the average surface roughness n_i beneath the ice sheet is 0.011 8. 2) Due to hydraulic abrasion, the roughness of ice sheet decreases over time during freezing. 3) Once ice sheet is formed in the channel, the water delivery capacity significantly diminishes, achieving only 66.7% of the designed flow rate. These findings provide a scientific basis for optimizing water transportation scheduling and designing similar engineering projects during freezing period.

Key words: South-to-North Water Diversion Middle Route Project, ice cover roughness, channel roughness, water transfer capacity, head loss

中图分类号:

TV135.3渠系建筑物水力学

段文刚, 邢梦媛, 黄明海, 杨金波, 沙继婷. 南水北调中线总干渠冰盖糙率观测分析[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(10): 78-85.

DUAN Wen-gang, XING Meng-yuan, HUANG Ming-hai, YANG Jin-bo, SHA Ji-ting. Observation and Analysis of Ice Cover Roughness in the South-to-North Water Diversion Middle Route Project[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2024, 41(10): 78-85.

序号	渠长 L/m	底宽 b/m	边坡系数m	纵坡i	设计水深h/m	设计流量Q/ (m³·s^-1)
渠段一	800	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0
渠段二	11 400	23.0	2.0	1∶25 000	4.5	135.0
渠段三	3 000	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0
渠段四	2 500	18.5	2.5	1∶20 000	4.5	135.0
渠段五	5 000	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0
渠段六	2 867	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0

序号	渠长 L/m	底宽 b/m	边坡系数m	纵坡i	设计水深h/m	设计流量Q/ (m³·s^-1)
渠段一	800	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0
渠段二	11 400	23.0	2.0	1∶25 000	4.5	135.0
渠段三	3 000	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0
渠段四	2 500	18.5	2.5	1∶20 000	4.5	135.0
渠段五	5 000	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0
渠段六	2 867	21.5	2.5	1∶25 000	4.5	135.0

不同年限的冬季	保定站最低日平均气温	保定站最低3 d 滑动气温	石家庄— 保定2站 6 d气温链	安阳—邢台— 石家庄— 保定4站 12 d气温链	保定站 1月平均气温
2014—2015	-5.3	-4.1	-2.8	-1.1	-1.9
2015—2016	-12.4	-9.9	-7.3	-4.7	-4.9
2016—2017	-6.4	-5.3	-3.5	-2.2	-2.7
2017—2018	-9.6	-9.3	-6.9	-4.1	-4.2
2018—2019	-11.2	-10.7	-8.1	-5.2	-3.8
2019—2020	-9.5	-7.0	-4.6	-2.4	-2.9
2020—2021	-12.0	-10.2	-7.1	-5.1	-3.8
2021—2022	-9.5	-7.4	-4.7	-2.5	-3.0
2022—2023	-10.9	-9.3	-5.6	-3.2	-2.9

不同年限的冬季	保定站最低日平均气温	保定站最低3 d 滑动气温	石家庄— 保定2站 6 d气温链	安阳—邢台— 石家庄— 保定4站 12 d气温链	保定站 1月平均气温
2014—2015	-5.3	-4.1	-2.8	-1.1	-1.9
2015—2016	-12.4	-9.9	-7.3	-4.7	-4.9
2016—2017	-6.4	-5.3	-3.5	-2.2	-2.7
2017—2018	-9.6	-9.3	-6.9	-4.1	-4.2
2018—2019	-11.2	-10.7	-8.1	-5.2	-3.8
2019—2020	-9.5	-7.0	-4.6	-2.4	-2.9
2020—2021	-12.0	-10.2	-7.1	-5.1	-3.8
2021—2022	-9.5	-7.4	-4.7	-2.5	-3.0
2022—2023	-10.9	-9.3	-5.6	-3.2	-2.9

日期	唐河节制闸闸后断面			放水河节制闸闸前断面			流量 Q/ (m³·s^-1)	平均过水面积 A/m²	平均水力半径 R/m	水位差 Δz/m	流速水头差/ m	水头损失h_f/ m	渠道糙率n_b
日期	水位/ m	水深/ m	流速/ (m·s^-1)	水位/ m	水深/ m	流速/ (m·s^-1)	流量 Q/ (m³·s^-1)	平均过水面积 A/m²	平均水力半径 R/m	水位差 Δz/m	流速水头差/ m	水头损失h_f/ m	渠道糙率n_b
01-01	69.654	3.67	0.43	69.425	4.49	0.33	48.56	129.69	2.97	0.230	0.003 9	0.234	0.016 7
01-03	69.676	3.69	0.41	69.470	4.53	0.31	46.58	131.13	2.99	0.206	0.003 6	0.209	0.016 7
01-05	69.686	3.70	0.41	69.480	4.54	0.32	47.05	131.54	3.00	0.207	0.003 6	0.210	0.016 7
01-07	69.661	3.68	0.41	69.454	4.52	0.32	46.66	130.46	2.98	0.207	0.003 7	0.211	0.016 6
01-09	69.655	3.67	0.42	69.443	4.51	0.32	46.79	130.09	2.98	0.212	0.003 7	0.215	0.016 7
01-11	69.669	3.68	0.42	69.460	4.52	0.32	47.11	130.75	2.99	0.210	0.003 7	0.213	0.016 6
01-13	69.679	3.69	0.41	69.475	4.54	0.32	47.09	131.29	2.99	0.203	0.003 7	0.207	0.016 5
01-15	69.690	3.70	0.41	69.484	4.55	0.32	47.28	131.70	3.00	0.206	0.003 7	0.210	0.016 6
01-17	69.680	3.70	0.41	69.472	4.54	0.31	46.76	131.25	2.99	0.208	0.003 6	0.212	0.016 8
01-19	69.638	3.65	0.45	69.395	4.46	0.34	49.98	128.72	2.96	0.243	0.004 2	0.247	0.016 5
01-21	69.631	3.65	0.44	69.404	4.47	0.33	48.79	128.77	2.96	0.228	0.004 0	0.232	0.016 4
平均值	69.668	3.68	0.42	69.452	4.52	0.32	47.58	130.57	2.98	0.216	0.003 8	0.220	0.016 7

南水北调中线总干渠冰盖糙率观测分析

Observation and Analysis of Ice Cover Roughness in the South-to-North Water Diversion Middle Route Project

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冰盖综合糙率 n_c	渠段长 L/m	平均过水面积A/m²	水力半径 R/m	流量Q/ (m³·s^-1)	断面平均流速 v/(m·s^-1)	水头损失 h_f/m	占设计流量比例/%
0.013 8	25 567	147.38	1.64	95.20	0.65	1.048	70.5
0.014 6	25 567	147.38	1.64	90.00	0.61	1.048	66.7
0.015 5	25 567	147.38	1.64	84.70	0.58	1.048	62.7

日期	冰盖综合糙率n_c	国标渠道糙率n_b	β	n_i
日期	冰盖综合糙率n_c	国标渠道糙率n_b	β	国标规范法	Einstein 法
01-24	0.015 5	0.016 7	1.038	0.014 1	0.014 2
01-25	0.014 7	0.016 7	1.038	0.012 4	0.012 6
01-26	0.015 4	0.016 7	1.038	0.013 9	0.014 0
01-27	0.015 0	0.016 7	1.038	0.013 0	0.013 2
01-28	0.015 2	0.016 7	1.037	0.013 4	0.013 6
01-29	0.013 9	0.016 7	1.037	0.010 2	0.010 7
01-30	0.013 8	0.016 7	1.037	0.009 8	0.010 4
01-31	0.014 6	0.016 7	1.037	0.012 1	0.012 3
02-01	0.014 2	0.016 7	1.038	0.011 0	0.011 4
02-02	0.014 0	0.016 7	1.038	0.010 5	0.010 9
02-03	0.013 8	0.016 7	1.038	0.009 9	0.010 4
平均值	0.014 6	0.016 7	1.038	0.011 8	0.012 2

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日期	唐河节制闸闸后断面			放水河节制闸闸前断面			流量Q/ (m³·s^-1)	平均过水面积 A/m²	平均水力半径 R/m	水位差 Δz/m	流速水头差/ m	水头损失h_f/ m	冰盖综合糙率 n_c	冰盖下表面糙率n_i
日期	水位/ m	水深/ m	流速/ (m·s^-1)	水位/ m	水深/ m	流速/ (m·s^-1)	流量Q/ (m³·s^-1)	平均过水面积 A/m²	平均水力半径 R/m	水位差 Δz/m	流速水头差/ m	水头损失h_f/ m	冰盖综合糙率 n_c	冰盖下表面糙率n_i
01-24	69.835	3.85	0.40	69.370	4.43	0.34	48.49	132.12	1.53	0.464	0.002 6	0.467	0.015 5	0.014 1
01-25	69.819	3.83	0.43	69.341	4.40	0.36	51.14	131.18	1.53	0.478	0.002 9	0.480	0.014 7	0.012 4
01-26	69.775	3.79	0.38	69.370	4.43	0.31	45.00	130.92	1.52	0.405	0.002 5	0.408	0.015 4	0.013 9
01-27	69.741	3.76	0.39	69.341	4.40	0.32	45.17	129.61	1.51	0.400	0.002 7	0.403	0.015 0	0.013 0
01-28	69.707	3.72	0.38	69.309	4.37	0.31	43.95	128.22	1.50	0.399	0.002 6	0.401	0.015 2	0.013 4
01-29	69.712	3.73	0.43	69.275	4.34	0.36	49.92	127.59	1.50	0.437	0.003 2	0.440	0.013 9	0.010 2
01-30	69.727	3.74	0.44	69.276	4.34	0.37	51.32	127.90	1.50	0.450	0.003 3	0.454	0.013 8	0.009 8
01-31	69.753	3.77	0.42	69.300	4.36	0.35	48.98	128.94	1.51	0.453	0.002 9	0.456	0.014 6	0.012 1
02-01	69.792	3.81	0.41	69.391	4.45	0.34	48.94	131.71	1.53	0.401	0.003 0	0.404	0.014 2	0.011 0
02-02	69.805	3.82	0.41	69.420	4.48	0.34	49.17	132.62	1.54	0.385	0.003 0	0.388	0.014 0	0.010 5
02-03	69.806	3.82	0.42	69.431	4.49	0.34	49.39	132.87	1.54	0.375	0.003 1	0.378	0.013 8	0.009 9
平均值	69.770	3.79	0.41	69.348	4.41	0.34	48.32	130.34	1.52	0.422	0.002 9	0.425	0.014 6	0.011 8

日期	唐河节制闸闸后断面			放水河节制闸闸前断面			流量Q/ (m³·s^-1)	平均过水面积 A/m²	平均水力半径 R/m	水位差 Δz/m	流速水头差/ m	水头损失h_f/ m	冰盖综合糙率 n_c	冰盖下表面糙率n_i
日期	水位/ m	水深/ m	流速/ (m·s^-1)	水位/ m	水深/ m	流速/ (m·s^-1)	流量Q/ (m³·s^-1)	平均过水面积 A/m²	平均水力半径 R/m	水位差 Δz/m	流速水头差/ m	水头损失h_f/ m	冰盖综合糙率 n_c	冰盖下表面糙率n_i
01-24	69.835	3.85	0.40	69.370	4.43	0.34	48.49	132.12	1.53	0.464	0.002 6	0.467	0.015 5	0.014 1
01-25	69.819	3.83	0.43	69.341	4.40	0.36	51.14	131.18	1.53	0.478	0.002 9	0.480	0.014 7	0.012 4
01-26	69.775	3.79	0.38	69.370	4.43	0.31	45.00	130.92	1.52	0.405	0.002 5	0.408	0.015 4	0.013 9
01-27	69.741	3.76	0.39	69.341	4.40	0.32	45.17	129.61	1.51	0.400	0.002 7	0.403	0.015 0	0.013 0
01-28	69.707	3.72	0.38	69.309	4.37	0.31	43.95	128.22	1.50	0.399	0.002 6	0.401	0.015 2	0.013 4
01-29	69.712	3.73	0.43	69.275	4.34	0.36	49.92	127.59	1.50	0.437	0.003 2	0.440	0.013 9	0.010 2
01-30	69.727	3.74	0.44	69.276	4.34	0.37	51.32	127.90	1.50	0.450	0.003 3	0.454	0.013 8	0.009 8
01-31	69.753	3.77	0.42	69.300	4.36	0.35	48.98	128.94	1.51	0.453	0.002 9	0.456	0.014 6	0.012 1
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平均值	69.770	3.79	0.41	69.348	4.41	0.34	48.32	130.34	1.52	0.422	0.002 9	0.425	0.014 6	0.011 8