天然河道水面線計(jì)算及合理性分析

天然河道水面線計(jì)算及合理性分析【摘要】天然河道水面線計(jì)算問題一直是水利工程中一個(gè)十分重要的問題?？茖W(xué)合理的分析計(jì)算水面線是對水面線推求的基本要求。筆者在本文中結(jié)合對某條河流的水面線推求，對加強(qiáng)水面線計(jì)算的合理性進(jìn)行討論，對幾種常用的水面線計(jì)算方法和計(jì)算軟件進(jìn)行說明?！娟P(guān)鍵字】天然河道、水面線計(jì)算、合理性分析一、前言我國現(xiàn)階段在水面線的推求和計(jì)算過程中，經(jīng)常用到的方法有明渠恒定均勻流法、天然河道水面線系統(tǒng)等，常用的軟件有MIKE11和HEC-RAS，這些方法和軟件都有自己的使用范圍和特點(diǎn)，下面請和筆者共同來一探究竟。二、天然河道水面線計(jì)算常用方法明渠恒定非均勻流是一種流速沿程變化的流動(dòng)，伴隨著流速變化，水位或水深，過水?dāng)嗝婷娣e等水力要素也將沿程變化。許多明渠非均勻流問題都可歸納為探求水位或水深的沿程變化規(guī)律，即求出函數(shù)z=z(s)或者h(yuǎn)=h(s)的具體形式，其中s為流程坐標(biāo)。這里所講的明渠恒定非均勻流水深或者水位的沿程變化規(guī)律包括兩方面的含義：一是水面曲線的定性分析，即探求水面曲線大致是什么形狀的曲線，二是水面曲線的定量計(jì)算，即需要知道沿程的水深或水位。為解決這兩個(gè)問題，首先必須建立描述水深或水位沿程變化規(guī)律的微分方程。1、明渠恒定非均勻流法明渠恒定非均勻流法是最基本的水面線算法，在斷面規(guī)整的明渠中經(jīng)常采用。其基本公式如下形式：式中：Z1、Z2——上游斷面和下游斷面的水位高程、——上游斷面和下游斷面的流速水頭——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)；——斷面平均流速；、——此河段水流的沿程水頭損失和局部水頭損失。2、天然河道水面線系統(tǒng)天然河道過水?dāng)嗝嬉话銟O不規(guī)則，糙率及縱坡沿程都有變化，明渠恒定均勻流法已不適用。天然河道水面線系統(tǒng)能較好地解決這一問題，在平原河道整治中運(yùn)用較為廣泛。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是可直接讀取斷面資料，通過圖形窗口劃分?jǐn)嗝鏋┎?，利于人機(jī)交互，從而提高水面線推算的工作效率。缺點(diǎn)是只能用于緩流河道，不能直接推算橋、壩等建筑物處的水位。三、天然河道水面線計(jì)算參數(shù)設(shè)定水面線計(jì)算中參數(shù)確定很重要，關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，如糙率、比降均沿流程都有變化，而要準(zhǔn)確確定參數(shù)，就必須盡可能的收集水文、泥沙、斷面及河道地形等基礎(chǔ)資料，包括歷史洪水調(diào)查資料。1、糙率確定。河道糙率是反映河流阻力的一個(gè)綜合性參數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征量，是水面線計(jì)算中一個(gè)關(guān)鍵性參數(shù)，取值的變化將對水面線成果影響很大。糙率與河流的水深、比降、河床質(zhì)組成、斷面幾何形狀、水流平面形態(tài)等諸多水力因素有關(guān)，同時(shí)河道沿程也在變化，同一河段水位不同也會變化。在實(shí)際計(jì)算中，如計(jì)算河段有水文站，我們可以借用水文站多年實(shí)測糙率資料分析出各河段糙率與水位、糙率與流量的關(guān)系曲線。沒有水文站的河段，或根據(jù)計(jì)算河段實(shí)測水面線采用試糙法來確定糙率，或歷史洪水調(diào)查洪痕用曼寧公式反推糙率，也可查相關(guān)資料的天然河道糙率表。2、局部水頭損失系數(shù)確定。關(guān)于河道的局部水頭損失，一般對于逐漸收縮的河段，局部水頭損失很小，可忽略不計(jì)；對于擴(kuò)散河段，局部水頭損失視擴(kuò)散的急劇程度不同來選定，一般選用-0.3～-1.0。3、起始水位的確定。由于大多數(shù)河道水流為緩流，河道控制斷面設(shè)在下游，自下而上推算，起始斷面應(yīng)在設(shè)計(jì)河段的最下游。若起始斷面恰好為水文站斷面，可根據(jù)該水文站水位～流量關(guān)系曲線給定起始水位。若水文站斷面在上游，可根據(jù)水文站水位～流量關(guān)系曲線結(jié)合河道比降初定起始斷面水位，或用曼寧公式確定下游斷面的起始水位。四、對工程中常遇的水面線計(jì)算的建議1、確定水庫或樞紐工程淹沒范圍時(shí)河道天然水面線的計(jì)算在對水庫和樞紐工程淹沒范圍的河道進(jìn)行天然水面線的計(jì)算時(shí)，其主要目的是確定回水曲線以及水面線的交點(diǎn)。要想對水庫尾部的交接點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，可以從庫尾前往河的上游，如果上游的水面線正確，那么就能得出交點(diǎn)。根據(jù)河道水流的狀態(tài)，可以選擇不同的地點(diǎn)作為初始計(jì)算斷面進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)水流比較湍急時(shí)，適合選用上游河段的斷面進(jìn)行計(jì)算，依次向下計(jì)算，算出水面線的具體值。相反，當(dāng)河道水流均勻時(shí)，就以壩址處的斷面進(jìn)行計(jì)算，通過假設(shè)一個(gè)水深值，然后不斷向上游計(jì)算，得出水面線的具體值，可以忽略對其他分段的計(jì)算。2、防洪工程的河道天然水面線的計(jì)算建議水面線的計(jì)算關(guān)系到防洪工程的展開。一般來說，通過對水面線的計(jì)算對堤頂?shù)母叱踢M(jìn)行確認(rèn)。筆者在工作中有過此類水面線計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)。如果在所測量水面線的河段內(nèi)有橋梁，則不能以橋梁作為控制斷面，橋梁如果是礙洪橋，則必須用堰流公式計(jì)算其壅水高度，最后與計(jì)算結(jié)果疊加作為最終計(jì)算水位；如果不是礙洪橋，則可以用《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10017-1999）簡單計(jì)算其壅水高度，最后與計(jì)算結(jié)果疊加作為最終計(jì)算水位。在測量范圍內(nèi)如果有護(hù)基壩、量水堰等，要以其為控制斷面進(jìn)行計(jì)算；如果有支流匯入的水庫，干、支流量得分配，應(yīng)按水文頻率遭遇分析決定，為簡單計(jì)，可采用同頻率流量。五、結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析1、基本情況方山河是渭河水系右岸一級支流，發(fā)源于華陰市華陽鄉(xiāng)單溝，自南向北過吝家門，至方山寺出峪口，出峪口后向北過白土坡、陳家堡、孫莊，良坊，在黨家堡村以北匯入渭河。方山河全長20.18km，流域面積12.45km2，河床平均比降8.63‰。方山河上游峪口以上為石質(zhì)山區(qū)，河谷深切，岸坡陡立，兩岸呈“V”型，侵蝕較強(qiáng)，表現(xiàn)為以下切作用為主的山峽地貌形態(tài)。出峪口后方山河從洪積扇從南流向北，下游穿過渭河一級階地后流注入渭河，河勢大體順直，局部微彎。上游鄭西高鐵以南河流比降大，平均比降約35.43‰，河道主要表現(xiàn)為沖溝，寬度約15～30m，坎高約1.7～4.0m，邊坡1:0.4～1:2，穩(wěn)定性較好。鄭西高鐵以下段較平緩，平均比降約1.09‰，由于河道淤積及堤防加高形成地上河，堤內(nèi)低于堤外0.5～3.5m，老西潼公路橋以上段堤間距15～40m，以下至河口間距為50～180m。2、水面線推求（一）橫斷面資料方山河河道橫斷面采用陜西省水電設(shè)計(jì)院2013年實(shí)測的地形圖。（二）水面線計(jì)算方法水面線計(jì)算采用天然河道恒定非均勻流能量方程式，運(yùn)用水文水利分析計(jì)算繪圖軟件系統(tǒng)（水利部四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）由下游向上游逐段推算。其基本計(jì)算公式為：式中：Zu、Zd—上、下游斷面水位，m；Au、Ad—上、下游斷面過水面積，m2；ku、kd—上、下游斷面流量模數(shù)，m3/s；—局部水頭損失，對漸變流，=1，=0；Δs—上、下游斷面間距，m；Q—斷面流量，m3/s；g—重力加速度，取9.81m/s2。用直接迭代法求解，計(jì)算回水水面線。（三）橋梁壅水計(jì)算方山河段堤防共有6座橋，通過分析以上橋梁在設(shè)計(jì)水位下的考慮橋梁阻水和不考慮橋的阻水兩種方案的計(jì)算成果，橋梁不屬礙洪建筑物。根據(jù)《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10017-1999）中的有關(guān)規(guī)定和如下經(jīng)驗(yàn)公式。橋前壅水可按下式計(jì)算：=式中：——壅水曲線最大壅高（m）；——系數(shù)，根據(jù)河道類型和河灘過水能力而定；——建橋后，通過設(shè)計(jì)流量時(shí)的橋下斷面平均流速（m/s）；——通過設(shè)計(jì)流量時(shí)，橋位斷面天然水流全河床斷面平均流速（m/s）。最終按確定的20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)對河堤進(jìn)行必要的加固操作，從而保證河堤的牢固程度，為人們的生產(chǎn)和生活提供保證，還要保障人們的安全，防止災(zāi)害的發(fā)生。六、結(jié)束語水面線的計(jì)算關(guān)系到防洪工程，因此合理的推求和計(jì)算是最為基本的要求。通過筆者對幾種方法和幾款軟件的介紹，我們已經(jīng)對天然河道水面線的計(jì)算有了初步的認(rèn)識和了解。只有不斷精確計(jì)算方法，才能得出更加精確的數(shù)值和結(jié)論，為我國的水利工程發(fā)展與建設(shè)做出貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)：[1]李煒.水利計(jì)算手冊（第二版）.2