比降在水文、水工计算中占有很重要的地位,如推算河流的平均流速、流量、设计灌排渠道等,均涉及到比降这个数值。
二、流速测验和资料统计
流速是指单位时间(秒)内河水质点所流动的距离(米),单位为米/秒。流速是表示河水运动快慢的一个重要指标。影响流速的因素很多,主要是河水量的多少,其次同河流比降、河道弯曲、水草多少等因素也有密切关系。测量流速的方法很多,现介绍三种。
1.浮标测速法
首先要选择顺直河段,河底变化比较小,布设测速断面(中断面)和上、下断面。上断面到中断面的距离,同下断面到中断面的距离最好等长。
浮标用木、竹、草捆、泡沫块等漂浮物制成。上断面是投放浮标用,记录浮标通过中断面的位置和到达下断面所用的时间t秒,浮标流速就是上、下断面的距离(L)与所用时间(t)之比,如下式:
浮标所测流速为水面流速,一般比断面平均流速为大,所以使用时要乘上一个浮标系数,一般为0.8(即f=0.80)。因此,实际流速V为:
V=fVfo
2.流速仪测流
将流速仪放入河水一定深度内,河水流动推动仪器的旋转器转动,由记数器记录旋转次数(S)与所用时间(t)的比值,为单位时间的转数n。利用流速仪出厂时测定的公式,就可以计算出流速:
式中a、b为流速仪常数。
3.利用公式计算流速
在顺直河道上,可采用下面水力学公式计算流速:
式中V为流速(米/秒);C为流速系数,同河床糙率n有关系;i为水面比降,在等速流的情况下,水面线与河底线平行,可用河底比降来表示;R为水半径(米),等于过水断面面积同湿周的比,即:
A为河道通过水流的断面(米2);p为河床过水断面的河底线长度(米),可用下列关系式计算,即:
b为河底宽(米);h为河水深度(米);m为边坡系数。过水断面面积可用下式求得:
流速系数C可用曼宁公式求得,随水力半径R和河床糙度n的不同而变化。计算式为:
河道、渠道、排沟的n值,查表5-18、表5-19,流速系数C值可查表5-20。
例如渠道底宽b=2.5米,水深h=1.4米,边坡系数m=1.2,水面比降i=0.002;已知灌渠为水泥抹面,求渠道水流速度V。
查表6-18,n=0.013;
表5-18 渠道、排水沟n值表
表5-19 天然河床糙度n值表
5-20 C值表(曼宁公式计算结果)
根据n=0.013,R=0.85米,查表6-20。表中仅有R=0.80米,0.90米的C值,分别为74.1、75.6,取其均值为74.9,代替R=0.85米的C值。
三、推求流量的方法
流量是指单位时间内流过河道过水断面的水量,以米3/秒来表示。计算流量公式如下:
式中及为流量(米3/秒);A为过水断面(米2);V为全过水断面平均流速(米/秒)。
河流中的水位与流量有着密切的关系,不同的水位有着不同的流量,是正相关的关系。如果以水位为纵坐标,流量为横坐标,把流量与相应水位点在直角坐标纸上,当测量资料足够长的条件下,便可得到一条抛物线型的水位~流量关系曲线。利用这条流量~水位的相关曲线,通过容易测到的水位值,可以推算出不容易测量的流量值,尤其洪峰流量瞬时通过时,这条关系线更有现实意义。