开敞式内河航道航运用水量分析及计算

1、开敞式内河航道航运用水量分析及计算马金辉闵娟玲摘要：本文针对开敞式内河航道航运用水量进行深入分析，根据水力学明渠恒定非均匀流理论， 提出计算公式，并通过实际工程进行检验。其公式简洁、适用，易于工程计算，可为工程 设计提供有益参考。关键词：内河航道；明渠恒定非均匀流；糙率；航运用水量1引言内河航运具有运能大、占地少、能耗低、 污染小、安全可靠等特点，是国家综合运输体 系和水资源综合利用的重要组成部分。随着我 国国民经济快速发展，内河水运货运量持续增 长，运输船舶大型化、标准化趋势明显，水运 市场日趋活跃，内河水运进入了快速发展的较 好时期。内河航道计算内容很多，涉及面很广，其 中规划用水量计算是

2、工程中最为关心的问题之 一。北方以黑龙江和松辽水系为主体的内河水 运地区，近年降水量偏少，用水浪费及水质污 染严重，加剧了水资源的供需矛盾，导致水资 源紧张。因此，在北方地区建设内河航道的规 划用水量必须与当地工、农业及城市用水量相 协调，在建设的可研阶段，提供较为准确的航 道规划用水量对北方地区水运资源的综合利用 具有十分重要的意义。航道规划用水量包括航运用水量及航道耗 损水量两部分，其中耗损水量需计算河道内渗 漏损失和水面蒸发损失等。本文针对航运用水 量进行深入分析，根据水力学相关公式，提出 经验计算公式。2基本理论2.1明渠恒定均匀流2.1.1形成条件明渠恒定均匀流是流速沿程不变，流线为

3、 一系列相互平行的直线，水深和断面的流速分 布等均沿流不变的流动。它是明渠水流中最简 单的流动形式，其理论是分析天然河流非均匀 流动的基础。明渠均匀流需具备以下条件：（1）水流恒定，流量沿程不便；（2）正坡，底坡沿程不变；（3）棱柱体渠道，糙率沿程不变；（4）明渠充分长直，无建筑局部干扰。2.2.2基本公式 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark11 o Current Document Q = vA谢才公式：v = CR1/2 J1/2曼宁公式：C = RV6nA- HYPERLINK l bookmark20 o Current Document R = A将

4、、代入式，有曼宁流量公式：Q = 1 AR2/3 J1/2n上面各式式中Q :流量（m3/ s）v :流速（m / s）A :过水断面面积（m2）C :谢才系数J :水力坡度n :糙率系数R :水力半径（m）X :过水断面湿周（m）2.2明渠恒定非均匀流z1 :始断面水位（m）；z2 :末断面水位（m）；明渠恒定非均匀流是通过明渠的流量不 变，流速与水深沿程变化的流动，是人工渠道、 天然河道水流的基本流动形式。对于明渠恒定非均匀流，由均匀流导出的 谢才、曼宁公式，不能直接代入式，需对公 式中的参数进行修正，此时Q = f （n, A,R, J）（1）天然河道糙率nn = m 24 n0式中n

5、:天然顺直、光滑、均匀渠道的糙率；0n1 :水面不规则影响系数；n2:河道横断面形状和尺寸变化影响；n:阻水物影响；n4 :植物影响；m5：河道曲折影响。式各参数取值可参考水力学等相关书籍。（2）修正过水断面面积A *天然河道的过水断面沿程变化，可取河道 的平均断面面积A。河面宽度及深度的变化频 度，在影响河道阻力的同时，直接影响河流流 态，因此，在计算中引入河道断面变化频度系 数a，则修正过水断面面积为A* = aA。（3）水力半径RR=A，其中x为平均断面湿周。X（4）水力坡度JJ = （% - z）l L(a )2/3(1/2图1大辽河走势L :河段长度（m ）。将以上经修正后的计算参数

6、代入式，得 天然河道流量计算经验公式：3工程应用2008年10月辽宁省海城市政府委托中交 天津港航勘察设计研究院建设大辽河航道，整 治河段为大辽河入海口至三岔河段，长约 94km，为弱感潮河段，河道走势见图1。辽河 流域水资源短缺，能否提供新建航道足够的航 运用水量，是整个工程可行与否的关键所在。依据公式对大辽河航道整治前后进行计算，各参数取值见表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辽河航道建设前后流量计算QnARJaz1z2L258.68350.08971908.53.4684.40E-050.8-1.250.3194000285.41310.086362409.834.37672.20E-050.815-1.250.194000可见航道整治后辽河增加的流量Q =285.4131-258.6835=26.73（ m3/ s ）通过上述计算可知，建设大辽河航道，每年航运补水量为5.54亿m3/年。4结论本文基于明渠恒定非均匀流理论，通过研 究各个参数的性质，完善了天然河道流量计算 公式，其计算结果能较好的反映河流实情况。 文中总结的经验公式简洁、适用，易于工程计 算，可为工程设计提供有益参考。参考文献李家星等.水力学.河海大学出版社， 2001.长