一种河渠冰盖糙率的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种河渠冰盖糙率的计算方法，包括：设置测量断面；测量；分区；计算河道综合糙率；计算河道冰盖糙率。本发明专利技术采用河冰水力学、水文测量等技术首先对冰冻河渠的各个参数进行精确测量，并通过这些参数计算河渠的综合糙率，再由综合糙率推演冰盖下糙率，实现河渠冰盖下糙率的正确计算和评估，为冬季结冰条件下河渠的安全运行调度、输水流量正确评估和冰情灾害等事故的科学应对提供依据和参考。

A method for calculating the roughness of ice sheet in river channels

【技术实现步骤摘要】
一种河渠冰盖糙率的计算方法
本专利技术涉及一种河渠冰盖糙率的计算方法，是一种水工工程方法，是一种河渠水流控制和调节的重要参数的计算方法。
技术介绍
冬季河渠结冰时，水流由明流变为暗流，冰盖作为不断变化的固体边界，导致河渠水流条件变的非常复杂，致使河渠过流能力下降，也给冬季河渠运行调度和防凌减灾带来诸多困难。冰盖糙率成为确定河渠冰盖下输水能力的重要参数，精确计算不同冰盖和水流条件下的冰盖糙率也成为冰工程研究的重点和挑战。现有的方法是，通过经验估计冰盖糙率，在估算冰盖糙率的基础上估算河床的综合糙率。由于河渠边界条件、地形条件、河渠位置和走势的差异，天然冰盖在不同季节、不同温度和水流条件下以多种形态存在，导致通过经验方法估算糙率跟实际情况误差较大。找到一种精确的冰盖糙率的率定方法是河渠冬季冰盖下运行正确评估过流流量的关键。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种河渠冰盖糙率的计算方法。所述的方法以精确的测量为基础，通过河冰水力学理论用综合糙率精确的反算推演出冰盖糙率。本专利技术的目的是这样实现的：一种河渠冰盖糙率的计算方法，所述的方法的步骤如下：步骤1，设置测量断面：对于自然河道在河床形状相对规则，水流相对平稳的封冻冰面位置；对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的封冻冰面位置；设置两个距离为L的测量断面j和j+1；步骤2，实地测量：在两个测量断面上和测量断面之间开凿多个冰孔进行测量，测量的内容包括：流量Q、流速v、水位z、过水断面面积A、从而求得水力半径R、谢才系数和水力坡度J；步骤3，流速分区：通过流速测量，画出从冰盖底部到河床面的流速分布图，并根据流速分布图中最大流速分布曲线，将测量断面分为床面区和冰盖区；步骤4，计算河道综合糙率n：其中：zj为测量断面j的水位、zj+1为测量断面j+1的水位、vj为测量断面j的流速、vj+1为测量断面j+1的流速、g为重力加速度；步骤5，计算河道冰盖糙率：解方程组，得出河道冰盖糙率：其中：为整个过水断面的综合糙率系数、nb为床面区糙率、ni为冰盖区糙率、为床面区水力半径、为冰盖区水力半径、为河渠综合水力半径；为床面区和冰盖区的湿周比，，为床面区湿周、为冰盖区湿周；床面区和冰盖区的流速比，，为床面区流速、为冰盖区流速。进一步的，所述的选取的测量断面多于两个，即：j=1，2，……，N；各个测量断面所测得的糙率平均糙率为：，其中，N为测量断面的个数，是大于1的正整数；Lj为测量断面j和j+1之间的距离；nj为各个测量断面所测出的综合糙率；步骤4、5中的糙率用平均糙率代替进行计算。进一步的，所述的河道冰盖糙率通过物理模型进行验证。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术采用河冰水力学、水文测量等技术首先对冰冻河渠的各个参数进行精确测量，并通过这些参数计算河渠的综合糙率，再由综合糙率推演冰盖下糙率，实现河渠冰盖下糙率的正确计算和评估，为冬季结冰条件下河渠的安全运行调度、输水流量正确评估和冰情灾害等事故的科学应对提供依据和参考。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的实施例一所述方法的流程图；图2是本专利技术的实施例一所述的两个测量断面在被测河段纵向断面上的位置示意图；图3是本专利技术的实施例一所述的被测的典型河段横断面分区示意图；图4是本专利技术的实施例一所述的被测的典型河段纵断面流速分布和分区示意图。具体实施方式实施例一：本实施例是一种河渠冰盖糙率的计算方法，所述的方法的步骤如下，流程如图1所示：步骤1，设置测量断面：对于自然河道在河床形状相对规则，水流相对平稳的封冻冰面位置；对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的封冻冰面位置；设置两个距离为L的测量断面j和j+1，如图2所示。首先在冰封的被测河段上找到一段适当的河段，这一河段的要求是：最好距离水文站附近，以便能够获得在寒冷季节进行测量的后勤支援，即能够经常性的进测量的河河段，或者历史上经常发生冰塞、冰坝的河段。测量断面应当选择在冬季能够形成冰盖1的典型自然河道，其河床2的横截面形状为中间较深，两侧坡面相对比较对称，且冰盖下流速近似双幂指数分布曲线形状，如图3所示。对于引水渠道则由于是人工开挖，因此，其河段断面形状比较规则，并且沿途有控制闸门等有人管理设置，测量一般不成问题，因此主要选择在远离闸门和分水口的位置，以避免影响测量。测量断面可以选择多个，意见将所测得的参数进行平均，以得到更加符合客观的数字。步骤2，实地测量：在两个测量断面上和测量断面之间开凿多个冰孔进行测量，测量的内容包括：流量Q、流速v、水位z、过水断面面积A、从而求得水力半径R、谢才系数和水力坡度J。沿测量断面开凿的冰孔应相对均匀，以能够形成比较连贯的参数为要，当然越密集越好，但过于密集的冰孔会增加工作量和增加冰面破损的危险性，因此冰孔的开凿应当适度。步骤3，流速分区：通过流速测量，画出从冰盖底部到河床面的流速分布图，并根据流速分布图中最大流速分布曲线3，将测量断面6分为床面区5和冰盖区4，如图3、4所示。当冰盖生成时，水流由明流变为暗流，流动结构发生显著的改变。此时一般以最大流速线（点）将流动沿水深方向分为冰盖区和床面区两层，再分别等效成明流对数分布（Einstein，1942；Larsen，1969）。在图3、4中，为冰盖下流动的总水深，为床面区水深，为冰盖区水深，为床面区湿周，为冰盖区湿周，为断面任一点沿水流方向的流速，A=Ai+Ab，A为整个过水断面面积，Ai为冰盖区过水面积，Ab为床面区过水面积。步骤4，计算河道综合糙率n：其中：zj为测量断面j的水位、zj+1为测量断面j+1的水位、vj为侧量断面j的流速、vj+1为测量断面j+1的流速、g为重力加速度。明渠上游段j和下游段j+1之间的能量方程为：(1)式中：为上游断面j的水位，为上游断面j的平均流速，为下游断面j+1的水位，为下游断面j+1的平均流速，为上下游断面的能量损失。由式（1）得到：(2)由明渠均匀流流量表达式：(3)(4)得到糙率的表达式：(5)式中：为流量；为谢才系数；n为曼宁糙率系数；A为过水断面面积；为明渠水力半径；，称为水力坡度；为断面j到j+1的距离。由式（2）和（5），得到冰盖下综合糙率系数表达式为：(6)步骤5，计算河道冰盖糙率：解方程组，得出河道冰盖糙率：其中：为整个过水断面的综合糙率系数、nb为床面区糙率、ni为冰盖区糙率、为床面区水力半径、为冰盖区水力半径、为河渠综合水力半径；为床面区和冰盖区的湿周比，，为床面区湿周、冰盖区湿周；床面区和冰盖区的流速比，，为床面区流速、为冰盖区流速。在研究冰下水流流态及糙率时一般采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河渠冰盖糙率的计算方法，其特征在于，所述的方法的步骤如下：/n步骤1，设置测量断面：对于自然河道在河床形状相对规则，水流相对平稳的封冻冰面位置；对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的封冻冰面位置；设置两个距离为

【技术特征摘要】
1.一种河渠冰盖糙率的计算方法，其特征在于，所述的方法的步骤如下：
步骤1，设置测量断面：对于自然河道在河床形状相对规则，水流相对平稳的封冻冰面位置；对于引水渠道则选择在控制闸门和分水口一定距离的封冻冰面位置；设置两个距离为L的测量断面j和j+1；
步骤2，实地测量：在两个测量断面上和测量断面之间开凿多个冰孔进行测量，测量的内容包括：流量Q、流速v、水位z、过水断面面积A、从而计算得到水力半径R、谢才系数和水力坡度J；
步骤3，流速分区：通过流速测量，画出从冰盖底部到河床面的流速分布图，并根据流速分布图中最大流速分布曲线，将测量断面分为床面区和冰盖区；
步骤4，计算河道综合糙率n：



其中：zj为测量断面j的水位、zj+1为测量断面j+1的水位、vj为侧量断面j的流速、vj+1为测量断面j+1的流速、g为重力加速度；
步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，郭新蕾，付辉，路锦枝，郭永鑫，李甲振，纪平，邹德昊，曾利，余弘婧，胡志鹏，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11