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2023年4月20日发(作者：爱的勇气英文版)第9期(第316期)吉林水利2008年9月
[文章编号]1009-2846(2008)09-0001-03
北方河流冰期水流阻力分析
孙建儒,孙景春
(吉林省白城水文水资源勘测局,吉林白城 137000)
[摘要] 本文通夏虫不可语冰井蛙不可语海的意思过由流速分布推求冰期河道冰盖糙率系数,提出了由流速分布推算冰盖及河床糙率的计算方法,同时考
虑冰盖影响区与河床的流速分布,确定最大流速位置,阐述了冰盖对水流的阻力是研究河道冰情演变及其运动规律的依
据。并对河道冰期形成冰盖,其阻力使河道水位升高、过流能力降低、水位流量关系改变。流速分布推算冰盖及河床糙
率的计算方法进行了分析。为北方地区基层测站的冰期测验工作提供参考。
[关键词] 北方河流;冰期水流阻力;冰盖及河床糙率;流速分布;河道冰情
[中图分类号] TV131122[文献标识码] B
+
1 导言
常期的工作实践,我们不难得知,冰盖的形
成使河道水力现象发生改变,引起水流阻力增加
从而导致河道过流能力下降及能量损失增加。对
于宽浅式河道,假定冰盖很薄,则水力半径几乎
减小到明流水力半径的一半。从而给河道的冬季
运行带来一系列问题:若封冻河道中流量剧烈增
加,将引起冰盖破碎形成冰塞、冰坝;明流条件
下建立起来的水位、流量关系不适于封冻河流。
冰盖形成对河道过流能力和泥沙运动将产生明显
的影响。结冰河道的糙率是反映河道阻力大小的
主要参数。是计算冰盖下流速、水位和流量的重
要因素。因为,冰盖下表面糙率很难直接量测得
到,一般只能由流速分布进行间接估算,冰盖下
的过流断面由于水中冰的堆积而发生变化。所以
冰期河道的水面比降与恒定均匀明流条件下的水
面比降相等的假定并不完全正确,当有大量水中
冰堆积或水流要素急剧改变时,河床糙率在有冰
盖存在时,与明流条件下相比有显著的不同,这
些影响因素均随时间而变。要想掌握盖面冰对水
流的阻力,研究河道冰情演变及其运动规律,则
有必要对冰期河道阻力问题进行分析与探索。
糙率。从理论上研究冰期河道综合糙率、冰盖糙
率、河床糙率和相关的水力因素之间的定量关
系。要解决两个主要问题:一是冰盖糙率的确
定;二是在已知河床及冰盖糙率的情况下,计算
冰期河道综合糙率。
对于天然河道,因为影响水流阻力因素的复
杂性,所以我们通常采用曼宁系数来直接表示水
流阻力。河道中形成冰盖,这时水流的阻力由两
部分小学必背75首古诗词组成:一是水流与河床的摩擦切应力;二是
水流与冰盖下表面的摩擦切应力。用曼宁公式表
达水流的阻力:
Sf=Q2n2c/A2R4/3(1)
[1]
式中:Sf为水和黄鹤楼有关的诗流的阻力;Q为过流断面流
量;A为过流断面面积;R为封冻时的水力半
径;Nc为综合糙率系数。
上式反映了河床粗糙nb和冰盖下表面糙率
ni的综合效应,即冰盖和河床的糙率共同决定
冰期河道的综合糙率。
在河流动力学中,处理岸壁阻力和床面阻力
时,依据河流动力学原理,可采用两种方法,一
是拆分岸壁阻力和河床阻力;二是按阻力划分过
流断面的方法,即把水体分成几部分,假定各部
分水体的流速相等,等于断面平均流速。但各部
分流速相同,只是一种近似的假定。
2 阻力组成及计算方法3 局部复合糙率计算
冰盖的存在使断面的湿周增加,水力半径减分析冰期河道各水力要素之间的关系。对于
小。冰盖和河床的糙率共同决定冰期河道的综合宽浅式河道,将冰盖下水流视为两个独立的断面
[收稿日期]2008-03-28
[作者简介]孙建儒(1982-)男,大专,现从事水文水资源勘测工作。
)1)

吉林水利北方河流冰期水流阻力分析孙建儒等 2008年9月
分区,分别只受冰盖和河床影响。最大流速值,按前述公式可计算得到综合糙率nc,Vi/Vb
umax位于距冰盖下表面Yi处;水深和Yi/Yb,及Yi、Yb、Vb和Vi。
式中:Y=Yi+Yb;Y1为有效水深;Yb为若RiUYi,RbUYb,当冰盖区和河床区的
受冰盖影响的水深。流速分布均满足对数流速分布法则时,进一步假
每区水流流速呈对数分布规律。
上部冰区:ui=215V*iln(30/kiyi)V*i=V*b,因此由方程(5)得到Vi=Vb=
[2]
定Yi/ki和Yb/kb近似相等,则由式(3)得到
Vc,也就是河床区和冰盖区以及整个过流断面
的平均流速均相等。这样方程(8)变为:
Yi/Yb=[a(b-1)ni/b(a-1)nb]2/3
=[ni/nb]2/3(11)
即:Yi/Yb可近似化为是ni/nb的函数。
下部河床区:ub=215V*bln(30/kbyb)
(2)
式中:V*i和V*b为冰区和河床区的摩阻
流速;Ki和kb为冰盖底部和河床的水力粗糙程
度;yi和yb为从冰盖、河床起算的距离;ui和
ub为相应点的速度。
最大流速发生在距河床Yb、冰盖底面Yi
处,所以:
umax=215V*iln(30/ksiYi)=215V*bln
(30/ksbYb)即
V*i/V*b=(Si/Sb)1/2=ln(30/ks-
bYb)/ln(30/ksiYi)=a/b(3)
式中:3i为冰盖区的边壁剪应力;3b为河
床区的边壁剪应力;对流速分布曲线分别进行积
分得到冰区的平均流速Vi和河床区的平均流速
Vb:Vi=215V*i[ln(30/ksiYi)-1]。
Vb=215V*b[ln(30/ksbYb)-1](4)
由式(3)和式(4)得:
4 冰盖糙率和河床糙率的计算
冰盖糙率通常利用实测的流速分布间接确
定,有时也当作反问题来解决。在进行冰期河道
水面曲线计算时,需要知道河段内水流的总阻
力。有时根据流量和水位的观测资料,利用水流
方程确定河段的阻力系数。采用这一方法,需要
知道许多水力要素,而且在河道结冰情况下,很
难确定这些因素。由水面比降求糙率河段的方
法,前者可以得到稳定的结果。后者需要水面比
降的测量,而水面比降的测量在冰期很难测量,
容易出现误差。
天然河道中的冰盖糙率受到水力、热力因素
以及水中冰堆积的影响,变化规律十分复杂。冰
盖下表面的粗糙系数与冰盖特性、水流等有关条
件密切相关,随时间徐悲鸿、空间而不同。由于天气、
工作条件等种种原因,冰盖下表面的粗糙程度很
难直接测量,通常利用流速分布测量进行间接估
算。用下列方程表示:
u=V*[215ln(30y/ks)](12)
式中:U为距边壁距离y处的点流速;kS
为水力粗糙程度;V*为摩阻流速。
上述方程可表示为:u=alny+b(13)
为了确定最大流速所在位置,需对实测流速
分布资料进行分析拟合,得到两区的流速分布方
程,数值联解得到对应于断面最大流速umax处
的Yi,并由此求得umax及冰区平均流速Vi和
Ki,进而得到:
ni=Ri1/6=1/Ki1/2Ri1/6(14)
同样也可确定有关描写春天的诗句河床的粗糙系数;
nb=Kb1/2Rb1/6/1
应用上述方法进行糙率计算。
V*i/V*b=(Si/Sb)1/2=a/b=Vi/Vbln
(30/ksbYb)-1/ln(30/ksiY晏子使楚的故事视频 i)-1=Vi/Vb[a
-1/b-1]
即:Vi/Vb=a(b-1)/b(a-1)(5)
依据曼宁公式,得:
Vi=(1/ni)Yi2/3J1/2;Vb=(1/nb)
Yb2/3J1/2;VC=(1/nC)Yt2/3J1/2(6)
或:
Vi/Vb=nb/ni(Yi/Yb)2/3;或:Yi/Yb=
[Vi/Vb#ni/nb]3/2(7)
由式(5)和式(7)得:
Yi/Yb=[a(b-1)ni/b(a-1)nb]3/2
(8)
依据连续性方程得:YiVi+YbVb=YtVC
(9)
依据式(6)得到以下综合曼宁系数的计算
式:
1/nC=(1/ni)Yi5/3+(1/nb)Yb5/3
(1/2)2/3Yt5/3(10)
式(7)及式(10)给出了冰期河道水力要
素间的理论关系表达式。若已知ni和nb及Yt
)2)

吉林水利北方河流冰期水流阻力分析孙建儒等 2008年9月
杂,且受自然条件的限制,冰期流量较小,河床
5 结语
当河床与冰盖下表面的糙率值相等时,最大
速度值在水深一半附近的位置;当河床与冰盖下
表面的糙率值不相等时,最大速度的位置移向相
对较为光滑的边界一侧。一般来说,在冰盖形成
初期,冰盖下表面的糙率值相对较大;随着冬季
严寒的加剧,冰盖的逐渐增厚、水流的侵蚀,冰
盖下表面将逐渐光滑而使糙率减小,在冰盖破坏
前,冰盖下表面糙率将达到一个最小值;到春季
流冰期,冰盖的糙率又将突然增大。因此,最大
速度的位置也将马致远代表作元代杂剧随着时间的推移在不断的改变。
冰盖糙率属于阶段性的变量,影响因素复
糙率可采用结冰前的明流糙率,但冰盖的存在使
得河床阻力产生变化。在进行流速分布测量时,
由于冰的存在以及冰盖下过浅的水深,有时使得
测量资料的精度受到一定的限制。分析时应该在
测量流速分布的同时,实测糙率的特征值,进行
比较分析。从而得出更确切的结论。t
参考文献:
[1]佘云童:封冻河道阻力分析和计算方法研究[D]北京:清
华大学,200016
[2]惠遇甲:冰期河道糙率分析和计算方法研究现状的述评
[C]第一届全国冰工程学术会论文集。1992
ThestreamresistanceanalysisduringglacialperiodinNorthernRivers
SunJian-ru,SunJing-chun
Abstract:Thispaperputsforwardsthecomputingmethodoftheroughnessoftheicecapandriverbed
derivedbythevelocitydistribution,takingintoice-affectedzoneoftheriverflowanddistribution,
determininglocationofmaximumvelocity;Itexpoundsthewaterresistancecausedbyiceisthebasis
toresearchrivercourseiceconditionsevolutionandriverbedmovement,andtheformationofglacial
iceriver,theriverwaterlevelincreased,theflowcapacityreduced,therelationofwaterleveland
flowchangedbythewaterresistance;Itanalysesthecalculatingmethodoficecapandriverbedrough-
nesscalculatedbyvelocitydistribution,andprovidesthebasisfortheiceperiodmeasureinthegauge
ofNorthernarea.
Keywords:northernrivers,glacialwaterresistance;icecapandriverbedroughness;velocitydistr-i
bution;rivericeconditions
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