天然河道水面线计算简析

天然河道水面线计算简析

苏梦晨

河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250

摘要：河道整治、堤防工程设计中需要计算河道洪水水位，推算河道水面线，本文对河道水面线计算方法和公式作简单总结和介绍，并对计算结果合理性的分析方法进行了描述。

关键词：天然河道；水面线；计算公式

1、天然河道水面线计算方法概述

在天然河道整治工程设计中，河道水面线的计算是关键的一步，推求水面线的计算方法也很多，例如水深沿程变化的微分方程法、断面比能沿程变化的微分方程法、水位沿程变化的微分方程法以及天然河道水面线计算系统等。这些方法基本理论依据都是明渠恒定非均匀流渐变流一维平移流动能量平衡的微分方程，在公式的推导过程中均有按其边界条件做了近似或技术处理，均有其边界条的局限性。很多的水利工作者已经证明，对人工河道或水力参数变化不大相对规则的天然河道，采用以上推算天然河道水面线的计算方法均能满足河道整治工程的精度要求，但对于河道的过水断面极不规则、河床不断发生冲淤变化、沿程水力参数变化较大的情况，建议采用天然河道水面计算系统分析计算水面线，这种方法相对比较符合实际。

2、天然河道水面线计算常用方法

2.1 明渠

明渠均匀流公式是最基本、最简单的水面线计算公式，在工作中经常使用。根据连续方程和公式，得到计算明渠均匀流的流量公式:

式中 Q—流量，m³ / s; n—粗糙系数; A—面积，m² ;Ｒ—水流半径，m;i—渠道比降。

明渠恒定均匀流公式必须具备以下条件:水流为恒定流、流量沿流程不变、渠道在足够范围内是顺直棱柱体槽、底坡是正坡、粗糙系数沿程不变、明渠段没有建筑物对水利的局部干扰。实际明渠中大量存在的是非均匀流，但是因为其计算简单，对于较为顺直、整齐的河段常按均匀流公式作近似解。

2.2 棱柱体明渠、天然河道

因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般均沿程改变，水流绝大多数是非均匀流。明渠恒定非均匀流方程，分析水深沿流程变化的方程和水位沿流程变化的方程，水深沿流程变化的方程主要用于分析棱柱体明渠非均匀流水面线的变化规律，在天然河道中，常用水位的变化来反映非均匀流变化规律。

对于棱柱体明渠，计算公式为:

式中 △Es—流段的两端断面上断面比能差值;Esd，Esu—表示△s 流段的下游及上游断面的断面比能。

流段的平均水力坡度 J珋一般采用:

平均值用下式计算:

棱柱体渠道可将已知参数代入以上公式直接解出水面线，非棱柱体明渠则需要采用以上公式逐段试算计算河道水面曲线。

天然河道可视作非棱柱体明渠，采用非棱柱体明渠的计算方法来计算河道水面线。天然河道一般用水位的变化来反映非均匀流的变化规律更加方便，利用下式试算法即可计算天然河道水面曲线。计算的具体做法不同，但并没有本质上的差别。

方程中 u 和 d 脚标者分别表示上游及下游断面的水力要素。方程两端分别表示上游水位和下游水位的函数。

我们工作中许多计算河道水面线的软件，所用的公式和基本原理都是这样的，比如常用的HEC-RAS水面线计算软件等。

3、天然河道水面线计算分析

3.1 河道糙率的确定

河道糙率是影响水面线精度的关键参数之一，在计算过程中要认真斟酌。可用实测资

料反推综合糙率。也可在《水力计算手册》中选取，注意河道治理中适当选小些，治理规划中可选大些。

3.2 起推断面与起推水位

上述方程中可知，第一断面必须是已知的，否则不能逐步推求下一个断面。起推断面：缓流时选在下游，由下游向上游推求，急流时选在上游，由上游向下游推求（断面比能法已有证明），起推断面位置应设计断面终点下游或上游延伸200~500m，消除误差；

起推断面水位：起推断面选择较规整的河道断面，或桥涵等处，采用谢才公式求得水位，做为起推水位，逐河段推求。有历史记载的洪水位资料也可以分析确定起推断面的起推水位。

3.3 逐段推求，分段原则

分段中，水流要素应变化较小；有支流汇入或流出时，增设推求断面；各种阻水建筑上

下游增设推求断面；河道比降，断面形状变化较大时，分段短些，反之可长些。一般段内水位差平原河道控制在0.2~1.0m，山区河道控制在 1.0~3.0m。

3.4 纵横断面修正

遇到回水区域局部大坑存有死水区，根据上下游断面情况，应修正为平面上有效过水断

面；纵坡为人为的局部变化较大，局部纵坡明显与上下游天然纵坡不符的情况，应恢复原有纵坡。

3.5 局部水头损失

河道中的桥涵坝阻水较大的建筑物，仅有局部水头损失系数反映水头损失是不够的，这种情况可用阻水计算方法来确定局部水头损失。

3.6 水面线成果合理性分析

水面线计算成果合理性分析是重要的一步。天然河道水面线推求系统的基本方程的推演过程中有各种近似的处理，另外在推求过程中有人为的因素添加在里面，因此成果是否符合实际情况要进行合理性分析。推求的成果与已有的实测成果比较，是否相匹配；不同标准的水面线应相协调，不能相交；水面线平滑，不能有明显的突然变化；河道形态没有突然变化，流速不能有明显变化；在没有发生水跃和水跌的条件下，采用流态判断参数判断流态，其流态不能发生变化。

3.7 充分掌握一手材料

采用这种方法推求天然河道水面线，应充分掌握河道的一手资料，水文气象、地形地貌、河床地质、河道来水来沙等资料，利用这些资料具体情况，科学处理推求过程中的问题。

4、结束语

河道整治、堤防工程设计中需要计算河道洪水水位，推算河道水面线，本文对河道水面线计算方法和公式做简单总结和介绍，并就在实际工作过程中、采用天然河道水面线推求系统计算河道水面线谈了几点体会。

参考文献：

[1]王斌. 天然河道水面线推求过程中的几个问题探讨[C]//.水与水技术（第9辑）,2019:10-11.

[2]顾立忠.一种天然河道水面线概化计算方法[J].广东水利水电,2018(07):50-53.

[3]谢勇.电力工程中河道水面线推算方法比较[J].甘肃科技,2018,34(02):32-33.