開敞式內(nèi)河航道航運用水量分析及計算

1、開敞式內(nèi)河航道航運用水量分析及計算馬金輝閔娟玲摘要：本文針對開敞式內(nèi)河航道航運用水量進行深入分析，根據(jù)水力學明渠恒定非均勻流理論， 提出計算公式，并通過實際工程進行檢驗。其公式簡潔、適用，易于工程計算，可為工程 設計提供有益參考。關鍵詞：內(nèi)河航道；明渠恒定非均勻流；糙率；航運用水量1引言內(nèi)河航運具有運能大、占地少、能耗低、 污染小、安全可靠等特點，是國家綜合運輸體 系和水資源綜合利用的重要組成部分。隨著我 國國民經(jīng)濟快速發(fā)展，內(nèi)河水運貨運量持續(xù)增 長，運輸船舶大型化、標準化趨勢明顯，水運 市場日趨活躍，內(nèi)河水運進入了快速發(fā)展的較 好時期。內(nèi)河航道計算內(nèi)容很多，涉及面很廣，其 中規(guī)劃用水量計算是

2、工程中最為關心的問題之 一。北方以黑龍江和松遼水系為主體的內(nèi)河水 運地區(qū)，近年降水量偏少，用水浪費及水質(zhì)污 染嚴重，加劇了水資源的供需矛盾，導致水資 源緊張。因此，在北方地區(qū)建設內(nèi)河航道的規(guī) 劃用水量必須與當?shù)毓?、農(nóng)業(yè)及城市用水量相 協(xié)調(diào)，在建設的可研階段，提供較為準確的航 道規(guī)劃用水量對北方地區(qū)水運資源的綜合利用 具有十分重要的意義。航道規(guī)劃用水量包括航運用水量及航道耗 損水量兩部分，其中耗損水量需計算河道內(nèi)滲 漏損失和水面蒸發(fā)損失等。本文針對航運用水 量進行深入分析，根據(jù)水力學相關公式，提出 經(jīng)驗計算公式。2基本理論2.1明渠恒定均勻流2.1.1形成條件明渠恒定均勻流是流速沿程不變，流線為

3、 一系列相互平行的直線，水深和斷面的流速分 布等均沿流不變的流動。它是明渠水流中最簡 單的流動形式，其理論是分析天然河流非均勻 流動的基礎。明渠均勻流需具備以下條件：（1）水流恒定，流量沿程不便；（2）正坡，底坡沿程不變；（3）棱柱體渠道，糙率沿程不變；（4）明渠充分長直，無建筑局部干擾。2.2.2基本公式 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark11 o Current Document Q = vA謝才公式：v = CR1/2 J1/2曼寧公式：C = RV6nA- HYPERLINK l bookmark20 o Current Document R = A將

4、、代入式，有曼寧流量公式：Q = 1 AR2/3 J1/2n上面各式式中Q :流量（m3/ s）v :流速（m / s）A :過水斷面面積（m2）C :謝才系數(shù)J :水力坡度n :糙率系數(shù)R :水力半徑（m）X :過水斷面濕周（m）2.2明渠恒定非均勻流z1 :始斷面水位（m）；z2 :末斷面水位（m）；明渠恒定非均勻流是通過明渠的流量不 變，流速與水深沿程變化的流動，是人工渠道、 天然河道水流的基本流動形式。對于明渠恒定非均勻流，由均勻流導出的 謝才、曼寧公式，不能直接代入式，需對公 式中的參數(shù)進行修正，此時Q = f （n, A,R, J）（1）天然河道糙率nn = m 24 n0式中n

5、:天然順直、光滑、均勻渠道的糙率；0n1 :水面不規(guī)則影響系數(shù)；n2:河道橫斷面形狀和尺寸變化影響；n:阻水物影響；n4 :植物影響；m5：河道曲折影響。式各參數(shù)取值可參考水力學等相關書籍。（2）修正過水斷面面積A *天然河道的過水斷面沿程變化，可取河道 的平均斷面面積A。河面寬度及深度的變化頻 度，在影響河道阻力的同時，直接影響河流流 態(tài)，因此，在計算中引入河道斷面變化頻度系 數(shù)a，則修正過水斷面面積為A* = aA。（3）水力半徑RR=A，其中x為平均斷面濕周。X（4）水力坡度JJ = （% - z）l L(a )2/3(1/2圖1大遼河走勢L :河段長度（m ）。將以上經(jīng)修正后的計算參數(shù)

6、代入式，得 天然河道流量計算經(jīng)驗公式：3工程應用2008年10月遼寧省海城市政府委托中交 天津港航勘察設計研究院建設大遼河航道，整 治河段為大遼河入海口至三岔河段，長約 94km，為弱感潮河段，河道走勢見圖1。遼河 流域水資源短缺，能否提供新建航道足夠的航 運用水量，是整個工程可行與否的關鍵所在。依據(jù)公式對大遼河航道整治前后進行計算，各參數(shù)取值見表1、表2。表1河道糙率取值n0n1n2n3n4m50.020.010.0120.020.0071.30.020.0090.0120.020.0071.27表2遼河航道建設前后流量計算QnARJaz1z2L258.68350.08971908.53.4684.40E-050.8-1.250.3194000285.41310.086362409.834.37672.20E-050.815-1.250.194000可見航道整治后遼河增加的流量Q =285.4131-258.6835=26.73（ m3/ s ）通過上述計算可知，建設大遼河航道，每年航運補水量為5.54億m3/年。4結(jié)論本文基于明渠恒定非均勻流理論，通過研 究各個參數(shù)的性質(zhì)，完善了天然河道流量計算 公式，其計算結(jié)果能較好的反映河流實情況。 文中總結(jié)的經(jīng)驗公式簡潔、適用，易于工程計 算，可為工程設計提供有益參考。參考文獻李家星等.水力學.河海大學出版社， 2001.長