[科普中国]-糙度系数

简介

糙度系数又称糙率。一般用表示。反映对水流阻力影响的一个综合性无量纲数。边界表面越 粗糙，糙率越大;边界表面越光滑，则糙率越小。

水利水电工程泥沙设计时，通常采用实测天然河道丰、平、枯不同流量的同时水面线，按库区各断面的水面高程、面积、流速，由恒定非均匀流能量方程式推算断面间的天然综合糙度系数。还有利用库区水尺建立的天然水位流量关系线推求各级流量的河段平均天然综合糙度系数。这是公认较可靠的方法，如三峡设计时水库尾部的天然河道糙度系数推求，经争论后在尾部段布设了密集的水尺。但需指出，该方法求得的糙度系数实际上带有水位观测误差。2

糙度系数公式水文测站糙率原始资料测验的技术标准，执行水利电力部1974年11月颁布的么水文测验试行规范》和1975年2月颁发的《水文测验手册》。该规范和手册规定河床糙率采用谢才—曼宁公式计算，即

式中： 为糙度系数，为断面平均流速；为水力半径，即过水断面面积与湿周之比。对于宽浅型河道，当水面宽度大于断面平均水深的10倍时，湿周可近似地用水面宽代替，则水力半径等于断面平均水深； 为水面比降。

实际上，水文部门糙度系数资料的测取和计算，在上述规范和手册颁布之前，同样是按照这种方法进行的。3

影响糙度系数的因素影响糙度系数的主要因素对于天然河流来说，糙度系数的原有定义是河床、岸壁的不规则性和表面粗糙度以及其他影响水流运动能量损失的因素的一个综合性指标，它直接决定水流沿程能量损失的大小。影响糙度系数大小的主要因素是：

1、河床组成、岸壁特征：河床中的泥沙、卵石、原生岩石等组成物的构成及粒径，河床岸壁的表面平整或凹凸情况，构成河床和岸壁的表面粗糙度。此外，岸坡的陡峻、倾斜程度，中、低水深时有无边滩，都会引起湿周的变化，产生各种组合情况下对水流不同程度的阻力影响因素。

2、植被状况：主要指河床边壁及岸滩植被的有无以及种类、密度、高度、季节或年际变化等。

3、河段平面特征及水流情况：如河段顺直或弯曲程度，平面扩散、收缩形态，上下游有无卡口、急滩、闸坝、桥梁、支流汇入，岸边水流是否畅通或有无漩涡、死水等。

由于天然河流的复杂性，无法通过影响因素对糙率进行定量分析。因此，通用的方法是根据实测水文资料综合分析糙率取值及其变化情况。

河道比降对糙度系数影响从理论上来讲，河道比降与糙度系数取值是没有直接关系的。谢才—曼宁流量公式的形式为

式中：为洪峰流量；为水面比降；为水力半径；为有效过水断面面积；为糙度系数。

在谢才—曼宁流量公式中，比降和糙率是两个相互独立的水力因素。倘若人工砌筑两个相同的过水断面，即床面组成结构和断面形态均相同，则糙率是一致的。在其底坡有所差异时，根据上式，其区别是底坡大的因流速大而过水能力强，流量大；底坡小的因流速小而过水能力弱，流量小。

对于某一具体河段来说，由于河道地形地貌和河床的组成结构是既定的，所以，它的糙率也是一个定值，即在人们认识它以前或以后，它是一个确定的值，仅仅在水深发生变化时由于水流与河床的接触面发生了变化，糙率值才发生变化。

目前来看，推求糙率一般多应用实测水文资料，使用谢才—曼宁公式来计算，而其中的水面比降、水力半径、流速是不可或缺的水力要素，所以本次研究所得出的糙率表列出了洪水的水面比降供参考。这里需要说明一点，洪水波从上游向下游传递时，有一个附加比降，所以在洪水发生期，水面比降与河底比降往往表现得不一致，即涨水期的水面比降大于河底比降，而落水期的水面比降一般都小于河底比降。洪水顶峰附近，认为河道水流属于一种暂时的恒定流，测取此时的水面比降具有代表性。

河道宽深比对糙度系数的影响河道的宽深比是以河道宽度为分子、平均水深为分母计算出来的一个河道形态系数。宽深比大，则说明河道呈现为宽浅型；宽深比小，则说明河道呈现为窄深型。一般意义上讲，宽浅型河道因水流所遇阻力大(主要是河床底部河床质对水流的阻力作用)而糙度系数也大，窄深型河道因水流所遇阻力小而糙度系数也小。但是，当窄深型河道两岸有树林或高秆作物等情况时，水流遇到的阻力也会相应增大，这种情况应另当别论。3