天然河道水面线计算及合理性分析
【摘要】天然河道水面线计算问题一直是水利工程中一个十分重要的问题。科学合理的分析计算水面线是对水面线推求的基本要求。笔者在本文中结合对某条河流的水面线推求，对加强水面线计算的合理性进行讨论，对几种常用的水面线计算方法和计算软件进行说明。
【关键字】天然河道、水面线计算、合理性分析
一、前言
我国现阶段在水面线的推求和计算过程中，经常用到的方法有明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统等，常用的软件有MIKE 11和HEC-RAS，这些方法和软件都有自己的使用范围和特点，下面请和笔者共同来一探究竟。
二、天然河道水面线计算常用方法
明渠恒定非均匀流是一种流速沿程变化的流动，伴随着流速变化，水位或水深，过水断面面积等水力要素也将沿程变化。许多明渠非均匀流问题都可归纳为探求水位或水深的沿程变化规律，即求出函数z=z(s)或者h=h(s)的具体形式，其中s为流程坐标。这里所讲的明渠恒定非均匀流水深或者水位的沿程变化规律包括两方面的含义：一是水面曲线的定性分析，即探求水面曲线大致是什么形状的曲线，二是水面曲线的定量计算，即需要知道沿程的水深或水位。为解决这两个问题，首先必须建立描述水深或水位沿程变化规律的微分方程。
1、明渠恒定非均匀流法
明渠恒定非均匀流法是最基本的水面线算法，在断面规整的明渠中经常采用。其基本公式如下形式：
式中：Z1、Z2——上游断面和下游断面的水位高程
、——上游断面和下游断面的流速水头
——动能修正系数；
——断面平均流速；
、——此河段水流的沿程水头损失和局部水头损失。
2、天然河道水面线系统
天然河道过水断面一般极不规则，糙率及纵坡沿程都有变化，明渠恒定均匀流法已不适用。天然河道水面线系统能较好地解决这一问题，在平原河道整治中运用较为广泛。该系统的优点是可直接读取断面资料，通过图形窗口划分断面滩槽，利于人机交互，从而提高水面线推算的工作效率。缺点是只能用于缓流河道，不能直接推算桥、坝等建筑物处的水位。
三、天然河道水面线计算参数设定
水面线计算中参数确定很重要，关系到计算结果的准确性，如糙率、比降均沿流程都有变化，而要准确确定参数，就必须尽可能的收集水文、泥沙、断面及河道地形等基础资料，包括历史洪水调查资料。
1、糙率确定。河道糙率是反映河流阻力的一个综合性参数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，是水面线计算中一个关键性参数，取值的变化将对水面线成果影响很大。糙率与河流的水深、比降、河床质组成、断面几何形状、水流平面形态等诸多水力因素有关，同时河道沿程也在变化，同一河段水位不同也会变化。在实际计算中，如计算河段有水文站，我们可以借用水文站多年实测糙率资料分析出各河段糙率与水位、糙率与流量的关系曲线。没有水文站的河段，或根据计算河段实测水面线采用试糙法来确定糙率，或历史洪水调查洪痕用曼宁公式反推糙率，也可查相关资料的天然河道糙率表。
2、局部水头损失系数确定。关于河道的局部水头损失，一般对于逐渐收缩的河段，局部水头损失很小，可忽略不计；对于扩散河段，局部水头损失视扩散的急剧程度不同来选定，一般选用-0.3～-1.0。
3、起始水位的确定。由于大多数河道水流为缓流，河道控制断面设在下游，自下而上推算，起始断面应在设计河段的最下游。若起始断面恰好为水文站断面，可根据该水文站水位～流量关系曲线给定起始水位。若水文站断面在上游，可根据水文站水位～流量关系曲线结合河道比降初定起始断面水位，或用曼宁公式确定下游断面的起始水位。
四、对工程中常遇的水面线计算的建议
1、确定水库或枢纽工程淹没范围时河道天然水面线的计算
在对水库和枢纽工程淹没范围的河道进行天然水面线的计算时，其主要目的是确定回水曲线以及水面线的交点。要想对水库尾部的交接点进行确认，可以从库尾前往河的上游，如果上游的水面线正确，那么就能得出交点。根据河道水流的状态，可以选择不同的地点作为初始计算断面进行计算。当水流比较湍急时，适合选用上游河段的断面进行计算，依次向下计算，算出水面线的具体值。相反，当河道水流均匀时，就以坝址处的断面进行计算，通过假设一个水深值，然后不断向上游计算，得出水面线的具体值，可以忽略对其他分段的计算。
2、防洪工程的河道天然水面线的计算建议
水面线的计算关系到防洪工程的展开。一般来说，通过对水面线的计算对堤顶的高程进行确认。笔者在工作中有过此类水面线计算的经验。如果在所测量水面线的河段内有桥梁，则不能以桥梁作为控制断面，桥梁如果是碍洪桥，则必须用堰流公式计算其壅水高度，最后与计算结果叠加作为最终计算水位；如果不是碍洪桥，则可以用《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-1999）简单计算其壅水高度，最后与计算结果叠加作为最终计算水位。在测量范围内如果有护基坝、量水堰等，要以其为控制断面进行计算；如果有支流汇入的水库，干、支流量得分配，应按水文频率遭遇分析决定，为简单计，可采用同频率流量。
五、结合工程实例进行分析
1、基本情况
方山河是渭河水系右岸一级支流，发源于华阴市华阳乡单沟，自南向北过吝家门，至方山寺出峪口，出峪口后向北过白土坡、陈家堡、孙庄，良坊，在党家堡村以北汇入渭河。方山河全长20.18km，流域面积12.45km2，河床平均比降8.63‰。方山河上游峪口以上为石质山区，河谷深切，岸坡陡立，两岸呈“V”型，侵蚀较强，表现为以下切作用为主的山峡地貌形态。出峪口后方山河从洪积扇从南流向北，下游穿过渭河一级阶地后流注入渭河，河势大体顺直，局部微弯。上游郑西高铁以南河流比降大，平均比降约35.43‰，河道主要表现为冲沟，宽度约15～30m，坎高约1.7～4.0m，边坡1:0.4～1:2，稳定性较好。郑西高铁以下段较平缓，平均比降约1.09‰，由于河道淤积及堤防加高形成地上河，堤内低于堤外0.5～3.5m，老西潼公路桥以上段堤间距15～40m，以下至河口间距为50～180m。
2、水面线推求
（一）横断面资料
方山河河道横断面采用陕西省水电设计院2013年实测的地形图。
（二）水面线计算方法
水面线计算采用天然河道恒定非均匀流能量方程式，运用水文水利分析计算绘图软件系统（水利部四川省水利水电勘测设计研究院）由下游向上游逐段推算。其基本计算公式为：
式中：Zu、Zd—上、下游断面水位，m；
Au、Ad —上、下游断面过水面积，m2；
ku、kd —上、下游断面流量模数，m3/s；
—局部水头损失，对渐变流，=1，=0；
Δs—上、下游断面间距，m；
Q—断面流量，m3/s；
g—重力加速度，取9.81m/s2。
用直接迭代法求解，计算回水水面线。
（三）桥梁壅水计算
方山河段堤防共有6座桥，通过分析以上桥梁在设计水位下的考虑桥梁阻水和不考虑桥的阻水两种方案的计算成果，桥梁不属碍洪建筑物。
根据《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-1999）中的有关规定和如下经验公式。桥前壅水可按下式计算：
=
式中：——壅水曲线最大壅高（m）；
——系数，根据河道类型和河滩过水能力而定；
——建桥后，通过设计流量时的桥下断面平均流速（m/s）；
——通过设计流量时，桥位断面天然水流全河床断面平均流速（m/s）。
最终按确定的20年一遇防洪标准对河堤进行必要的加固操作，从而保证河堤的牢固程度，为人们的生产和生活提供保证，还要保障人们的安全，防止灾害的发生。
六、结束语
水面线的计算关系到防洪工程，因此合理的推求和计算是最为基本的要求。通过笔者对几种方法和几款软件的介绍，我们已经对天然河道水面线的计算有了初步的认识和了解。只有不断精确计算方法，才能得出更加精确的数值和结论，为我国的水利工程发展与建设做出贡献。
参考文献：
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[2] 林劲松,巨江,张宽地,吕宏兴.复杂地形条件下天然河道水面线计算研究[3] 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2010(09)
[4] 王世策.受变动回水影响的洪水位预报研究[J]. 治淮. 2010(11)
[5] 李本怀,刘文,王意惟.长春地区降水量代表性规律计算分析方法[J]. 水利科技与经济. 2009(09)
第一章天然河道水面线推算 百图软件既可以处理一个糙率的单式断面天然河道，又可以处理二个或任意多个糙率的复式断面天然河道，也可以处理河道某处出现江心洲或分叉情况，还可以处理整条河道上，支流汇入或流出、过桥水头跌差等情况。 缓坡河道应从下游向上游推算，根据经验及《水力学》教材的介绍，当最下游断面的起始水位无法确定时，可用该断面附近的正常水深对应的水位作为起始水位。陡坡河道应从上游向下游推算，根据经验，当最上游断面的起始水位无法确定时，可用该断面的临界水深或略小于临界水深对应的水位作为起始水位。 实际工程中，一条长距离的河道可能是缓、陡坡交替变化的情况，此时应先画出河底的纵断面图。根据纵断面图，当人工能够分辨出缓、陡坡的分界点，可人工划分成单一的缓坡或陡坡分别进行推算。当人工不能够分辨出缓、陡坡的分界点时，可假定该整条河道为缓坡，选择整条河道从下游向上游推算，若软件一直能进行推算，说明该段为缓坡；若软件不能进行推算，说明该段为陡坡。软件运行终止的断面，即为缓、陡坡的分界点，按此方法判断出整条河道上的所有缓、陡坡的分界点，把整条河道划分成单一的缓坡或陡坡分别进行推算。
第一节 一个糙率天然河道水面线推算 一、现状天然河道水面线推算 根据下式，即华东水利学院编《水力学》（1999年版）式，采用分段试算法，精确推算水位。 第一步、准备现状横断面数据文件 数据文件为txt 格式，在excel 中整理数据时必须另存为文本文件（制表符分隔）类型的txt 文件。 原始横断面测量成果表的内容格式如下： 横断测量成果表中，桩号允许带“+”或“-”，但不允许有其它非数字文本，程序通过加减号来识别桩号。起点距即是累距，零点桩的起点距为0。每个点的数据占一行，包括“起点距”、“高程”和“点注释”三项，中间用空格隔开，空格多少不受限制，其中“点注释”可以省略。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? g v g v K l Q g v z g v z 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 ? ? ?
工程设计中天然河道水面线计算 水文勘测 吴树煌,华智敏,王文彬 (内蒙古水利水电勘测设计院,内蒙古呼和浩特010020) 摘!要!天然河道水面线计算的方法及建议。关键词!水面线;计算;建 议 !!天然河道水面线的计算多采用不计局部水头损失的能量方程(差分 形式)逐段推算,计算中常遇的问题是初始计算断面的选择及其水深的确定。当河段内或距离不远处设有水文测站时,当然应以其实测断面为初始计算 断面,可从实测水位流量关系确定其计算水深。但中小河流的许多河段没 有测站或测站距离较远,这种情况下,经多年实践,我院采取的计算方法是 将计算河段的最下端河段当做均匀流计算其水深,并作为最下游端初始计 算断面的水深,由下游往上游逐段计算河道水面线。并在多次计算过程中 认识到,即使初始计算断面水深有一定误差,推算若干段后,均可趋近正确。 对于上述认识,在此做简单的论证,提出其运用条件并对如何使各种水 面线计算更为准确提出一些建议。 avn+1 )2g 具有下标n和n+1分别表示各计算分段下游断面和上游断面的水力要素。 !if单位长度的摩阻损失。v
近似按均匀流计算if=2!!!(2 ) cR 2 2 图1符号及下述运算符号的下标说明:0-0表示计算河段正确的水面线; I-I表示初始计算断面1-1,假设水深h11
沙河水面线推求过程 1.1 水面线计算理论基础 根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。 （1）水面线推算的基本公式 水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。 具体如下： 2g 2g 2 1w 2221V h V Z Z αα- ++= （1-1） 式中： 1Z 、1V ——上游断面的水位和平均流速； 2Z 、2V ——下游断面的水位和平均流速； j f w h h h +=——上、下游断面之间的能量损失； l R C V h f 22 = ——上、下游断面之间的沿程水头损失； )22(2 12 2g V g V h j -=ζ——上、下游断面之间的局部水头损失； ζ——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》 ，在收缩河段，一般局部水头损失系数ζ=0；在扩散<段，由于2V <1V ，所以ζ<0，其中在渐扩段， ζ取值-0.333，急扩段、桥渡处ζ取值-0.05~-0. 1。 C ——谢才系数； R ——水力半径； α——动能修正系数。 分段求和法计算时，应注意以下及点：第一，把已知水深的断面作为起始断面。第二，明渠中水流必须是恒定流，并且流量沿程不变。第三，渠道糙率系数n 沿程不变。 （2）河道糙率 沙河河道与滩地糙率虽然有所不同，但相差较小，沙河主槽0.027，滩地0.03
对水位影响较小，这里统一按0.027取值计算。推求中一律按河道糙率计算。 1.2 计算过程 本次计算从K0+000断面到K14+400断面，河道纵断面变化如图1-1，图1-2。 图1-1 河道纵断面图 图1-2 沙河河道图
天然河道水面线推算方法及基本参数的分析 天然河道水面线推算是河道防洪规划和整治建设工作的基础，是河道堤防工程设计的依据，水面线推算的合理性和科学性对水利工程的投资有直接的影响。本文主要介绍天然河道水面线的计算方法及基本参数的选取原则，为今后相关工程水力计算作参考。 标签：天然河道；水面线推算；基本参数分析 1、天然河道水面线计算公式 天然河道因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般沿程均会发生变化，水流一般为非均匀流。水面线计算主要理论依据是伯努利能量守恒方程，从下游向上游断面逐段推算水位，最终得出整个河段的水面线。基本方程式如下： 2、天然河道水面线计算中参数的确定 水面线计算中参数确定很重要，关系到计算结果的准确性，如糙率、比降均沿流程都有变化，而要准确确定参数，就必须尽可能的收集水文、泥沙、断面及河道地形等基础资料，包括历史洪水调查资料。 2.1河道糙率确定 河道糙率是反应河流阻力的一个综合性系数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，它是水流与河槽相互相互作用的产物。所以影响河道糙率的因素有河槽方面也有水流方面，但两者相互作用，相互影响，无明显的划分界限。 河槽边壁及河床粗糙程度，滩地植被，河槽纵横形态、水位的高低变化等是主要因素。天然河道水面线计算糙率的确定主要有两种方法：一是有实测资料时，可采用河段附近现状河道纵横断面资料反推综合糙率；二是无实测资料时可根据河道现状平面形态、河床组成、床面及滩地植被情况，参照《水力计算手册》和以往同类工程确定，偏重于安全考虑，在河道整治工作中糙率适当选小些，在防洪规划中适当大一些。 2.2起推断面与起推水位的确定 一是水流为缓流时起推断面一般选在推算河段下游，急流时选在上游；二是附近下游有水文站时以水文站为起推断面，依据实测水位资料分析不同标准洪水位，当缺乏高标准的水位流量关系时可适当将水位流量关系外延；三是附近下游有调查的历史洪水的水位流量关系时可以采用均匀法求调查断面近似的水位流量关系，从而确定起推断面水位流量关系；四是没有实测资料时，起推断面大多选定与有设计校核水位流量关系的跨河桥或其他有控制的断面，应由此修正起推断面的水位；五是当没有水文站或控制工程时，起推断面一般由河段末端向下游
天然河道水面线计算简析 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。
浅析天然河道水面线计算中的几个问题 浅析天然河道水面线计算中的几个问题 ________________________________________________________________________ 河流是地表水的重要组成部分，其研究和管理对于地表水资源的可持续发展具有重要意义。其中，天然河道水面线计算可以帮助科学家们更好地理解河流的形态特征，为河流研究和管理提供重要信息。本文旨在通过浅析天然河道水面线计算中的几个问题，以期帮助读者更好地理解天然河道水面线的计算过程。 一、关于水面线计算的基本原理 1.1 水面线是什么 水面线是指在某一特定时刻，由水流冲刷和侵蚀形成的河道的边界。它是一个定义特定时刻河道形态的重要指标，可以用来反映河道形态的动态变化。 1.2 水面线计算的基本原理 水面线计算是地理信息科学中一项重要的任务，其基本原理是通过测量或估算河流水位、河床变化和河流形态参数来估算水面线。河流水位估算是水面线计算的基本步骤，通常包括测量河流水位、应用水位公式、利用水文站数据和应用诸如ArcGIS等GIS技术来估算河流水位。估算完水位后，即可根据实际情况进行水面线计算，以得出具体的水面线。 二、关于水面线计算的几个具体问题
2.1 水位估算的问题 水位估算是水面线计算的关键步骤，但是它也存在一些问题，如因测量数据不准确而导致估算误差大、因数据来源不同而导致估算误差大、因数据来源不够充分而导致估算误差大以及因水文站分布不均匀而导致估算误差大。 2.2 水文参数的选取问题 在进行水面线计算时，要正确选取合适的水文参数，以保证获得准确的水面线。因此，选取合适的水文参数也是一个重要问题。一般来说，要正确选取合适的水文参数，应考虑到河流形态特征、水文特征、地形特征以及与水文相关的物理地理特征。 2.3 数据处理问题 在进行水面线计算时，还要处理大量的数据，如测量数据、遥感数据、DEM数据以及GIS数据。这些数据处理也是一个重要问题，因为不正确的数据处理会对最后的水面线计算造成很大影响。 三、总体考虑 从上述几个具体问题来看，天然河道水面线计算是一个复杂的过程，要正确获得准确的水面线，必须考虑到各方面因素：包括正确选取合适的水文参数、准确估算河流水位以及正确处理大量数据。各方应尽快开展相关工作，努力实施天然河道水面线计算，以促进河流资源的可持续发展。
4.6 洪水水面线 4.6.1计算公式 ⑴计算原理 天然河道的洪水大多属于不稳定流，水面线的计算可以近似地视为稳定流量以简化计算。稳定非均匀流按伯努利能量方程进行计算，即： j f h h g V Z g V Z +++=+222 1112 222αα 式中：Z 2、Z 1为计算段上、下游断面水位；V 2、V 1为计算段上、下游断面平 均流速，2α、1α为计算段上、下游断面的动能修正系数；h f 为沿程水头损失； h j 为局部水头损失。 在流量、控制断面水位和河段糙率确定后，即可由该式算出河道断面的水力要素。 ⑵主要参数的确定 根据一维水面线的计算公式，其关键在于沿程水头损失和局部水头损失的确定。 ①动能修正系数α α是以总流的断面平均流速V 代替过水断面上各点的点流速V i 来计算断面 的平均单位动能，为校正误差而引入的修正系数，理论上可按下式计算： A V dA V i A 33 ⎰=α 式中：V i 为断面单元流速（m/s ）；V 为断面平均流速（m/s ）；A 为过水面积。 α是个大于1.0的数值，其值取决于断面上流速分布不均匀的程度，流速分布越不均匀，α值越大。 ②沿程水头损失 水流在流动过程中，由于克服河床的阻滞作用，边壁的低流速层对高流速层
产生的阻力而消耗的能量，就是沿程阻力损失损失h f ，主要决定于均匀流的坡降， 可表示为： 23/42222A R L Q n L K Q L J h f === 式中：L 为计算段上下游断面间距（m ），K 为流量模数，R CA K =，一般采用22 21111K K K +=，K 1、K 2是上下两断面的流量模数；C 为谢才系数，y R n C 1=，n 为糙率，y 可取1/4～1/6。 由上式可知，欲求h f ，主要是确定糙率n 值，工程河段天然河道糙率根据河 道形态，河床组成及两岸植被情况结合，采用历史洪水反推糙率，未进行历史洪水调查段结合《天然河道糙率表》选定。 ③局部水头损失 局部水头损失即为河道的河床断面沿程不均匀引起的水头损失。局部阻力系数与河槽形态、收缩或放宽的比例以及水流情况有关，特别是在跨河桥梁河段特别明显，局部水头损失h f 可按下式计算： )22(2221g V g V h j -=ξ 式中：ξ为局部阻力系数。对于逐渐扩散段，取ξ=-0.3～-0.5；对于急剧扩散段取ξ=-0.5～-1.0；对于收缩段ξ=0。
天然河道水面线计算及合理性分析 【摘要】天然河道水面线计算问题一直是水利工程中一个十分重要的问题。科学合理的分析计算水面线是对水面线推求的基本要求。笔者在本文中结合对某条河流的水面线推求，对加强水面线计算的合理性进行讨论，对几种常用的水面线计算方法和计算软件进行说明。 【关键字】天然河道、水面线计算、合理性分析 一、前言 我国现阶段在水面线的推求和计算过程中，经常用到的方法有明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统等，常用的软件有MIKE 11和HEC-RAS，这些方法和软件都有自己的使用范围和特点，下面请和笔者共同来一探究竟。 二、天然河道水面线计算常用方法 明渠恒定非均匀流是一种流速沿程变化的流动，伴随着流速变化，水位或水深，过水断面面积等水力要素也将沿程变化。许多明渠非均匀流问题都可归纳为探求水位或水深的沿程变化规律，即求出函数z=z(s)或者h=h(s)的具体形式，其中s为流程坐标。这里所讲的明渠恒定非均匀流水深或者水位的沿程变化规律包括两方面的含义：一是水面曲线的定性分析，即探求水面曲线大致是什么形状的曲线，二是水面曲线的定量计算，即需要知道沿程的水深或水位。为解决这两个问题，首先必须建立描述水深或水位沿程变化规律的微分方程。 1、明渠恒定非均匀流法 明渠恒定非均匀流法是最基本的水面线算法，在断面规整的明渠中经常采用。其基本公式如下形式： 式中：Z1、Z2——上游断面和下游断面的水位高程 、——上游断面和下游断面的流速水头 ——动能修正系数； ——断面平均流速； 、——此河段水流的沿程水头损失和局部水头损失。
2、天然河道水面线系统 天然河道过水断面一般极不规则，糙率及纵坡沿程都有变化，明渠恒定均匀流法已不适用。天然河道水面线系统能较好地解决这一问题，在平原河道整治中运用较为广泛。该系统的优点是可直接读取断面资料，通过图形窗口划分断面滩槽，利于人机交互，从而提高水面线推算的工作效率。缺点是只能用于缓流河道，不能直接推算桥、坝等建筑物处的水位。 三、天然河道水面线计算参数设定 水面线计算中参数确定很重要，关系到计算结果的准确性，如糙率、比降均沿流程都有变化，而要准确确定参数，就必须尽可能的收集水文、泥沙、断面及河道地形等基础资料，包括历史洪水调查资料。 1、糙率确定。河道糙率是反映河流阻力的一个综合性参数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，是水面线计算中一个关键性参数，取值的变化将对水面线成果影响很大。糙率与河流的水深、比降、河床质组成、断面几何形状、水流平面形态等诸多水力因素有关，同时河道沿程也在变化，同一河段水位不同也会变化。在实际计算中，如计算河段有水文站，我们可以借用水文站多年实测糙率资料分析出各河段糙率与水位、糙率与流量的关系曲线。没有水文站的河段，或根据计算河段实测水面线采用试糙法来确定糙率，或历史洪水调查洪痕用曼宁公式反推糙率，也可查相关资料的天然河道糙率表。 2、局部水头损失系数确定。关于河道的局部水头损失，一般对于逐渐收缩的河段，局部水头损失很小，可忽略不计；对于扩散河段，局部水头损失视扩散的急剧程度不同来选定，一般选用-0.3～-1.0。 3、起始水位的确定。由于大多数河道水流为缓流，河道控制断面设在下游，自下而上推算，起始断面应在设计河段的最下游。若起始断面恰好为水文站断面，可根据该水文站水位～流量关系曲线给定起始水位。若水文站断面在上游，可根据水文站水位～流量关系曲线结合河道比降初定起始断面水位，或用曼宁公式确定下游断面的起始水位。 四、对工程中常遇的水面线计算的建议 1、确定水库或枢纽工程淹没范围时河道天然水面线的计算 在对水库和枢纽工程淹没范围的河道进行天然水面线的计算时，其主要目的是确定回水曲线以及水面线的交点。要想对水库尾部的交接点进行确认，可以从库尾前往河的上游，如果上游的水面线正确，那么就能得出交点。根据河道水流的状态，可以选择不同的地点作为初始计算断面进行计算。当水流比较湍急时，适合选用上游河段的断面进行计算，依次向下计算，算出水面线的具体值。相反，当河道水流均匀时，就以坝址处的断面进行计算，通过假设一个水深值，然后不断向上游计算，得出水面线的具体值，可以忽略对其他分段的计算。
河道水面线推求及参数 选取方法 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
设计洪水水面线推算 根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。 （1）水面线推算的基本公式 水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。 具体如下： 式中： 1Z 、1V ——上游断面的水位和平均流速； 2Z 、2V ——下游断面的水位和平均流速； j f w h h h +=——上、下游断面之间的能量损失； l R C V h f 22=——上、下游断面之间的沿程水头损失； )22(2221g V g V h j -=ζ——上、下游断面之间的局部水头损失； ζ——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》，由于断面逐渐扩大的ζ 取值，桥渡处ζ取值~0. 1。 C ——谢才系数； R ——水力半径； α——动能修正系数。 （2）河道糙率 河道的粗糙系数受到河床组成床面特性、平面形态及水流流态、植物、岸壁特性等影响，情况复杂，不易估计，本工程河道基本顺直，床面平整，经过整治的河床粗糙系 数可以采用《水工设计手册》第一卷P1-404介绍的当量粗糙系数x N xn n ∑=1当 ；设总湿周 x 的各组成部分1x ，2x ，……N x 及所对应的粗糙系数分别为n 1，n 2……n N 。 1糙率的选取
河道糙率影响因素有河槽方面也有水流方面。河槽边壁及河床粗糙程度，滩地植被，河槽纵横形态的变化是主要因素。大洪水糙率小于小洪水糙率，若附近有大洪水资料时可采用河段附近现状河道纵横断面资料反推综合糙率；若河道纵横断面于大洪水有较大变化时应在河道原貌的基础上反推糙率；反推糙率实际上小于实际糙率。无资料时可根据经验参照水力计算手册确定，偏重于安全考虑，在河道整治工作中糙率适当选小些，在防洪规划中适当大一些。 2起推断面与起推水位的确定 水流为缓流时起推断面一般选在推算河段下游，急流时选在上游，附近下游有水文站时以水文站为起推断面，依据实测水位资料分析不同标准洪水位，当缺乏高标准的水位流量关系时可适当将水位流量关系外延。三是附近下游有调查的历史洪水的水位流量关系时可以采用均匀法求调查断面近似的水位流量关系，从而确定起推断面水位流量关系。四是没有实测资料时，起推断面大多选定与有设计校核水位流量关系的跨河桥或其他有控制的断面，应由此修正起推断面的水位。五是当没有水文站或控制工程时，起推断面一般由河段末端向下游延伸一段距离，距离的长短与河道纵坡有关，当起推断面的水位较难准确确定或不能确定起推断面是否受下游壅水影响时，应进行敏感性分析，即假定起推水位变化时，若河段末端水位没有明显变化，说明起推断面位置相对合适，否则向下游重新选取。 3推算断面的布设 河道水面线应逐段推算，河道分段，推断断面布设原则： 一是尽可能使断面间的水力坡度无明显变化；二是当河流有支流汇入或流量分出等流量突变时，需在突变位置加设断面；三是当有桥梁，涵洞等壅水不大的河道建筑时，在该位置增设断面；四是当存在橡胶坝等建筑物时，坝上，下均增设断面；五是当河道形状
天然河道水面线计算的几种方法探讨 摘要：介绍了明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统、HEC-RAS软件及SOBEK软件4种常用的水面线推算方法，并对不同河道进行了水面线推算，然后对计算结果进行了对比分析。结果表明：对于坡度较小且沿程顺直、断面规整的河道，若下游起始水位对上游河道水位影响较小，则可用明渠恒定均匀流法进行水面线推算；若下游起始水位对上游河道水位影响较大，则可采用天然河道水面线系统进行水面线推算；对于断面不规整的缓流河道，水位推算结果大体呈天然河道水面线系统、HEC-RAS软件、SOBEK软件的趋势；对于急流河道，HEC-RAS软件推算的水位比SOBEK软件推算的水位偏高。 关键词：明渠恒定均匀流法；天然河道水面线系统；HEC-RAS软件；SOBEK 软件；水面线推算 Abstract: nullah constant uniform flow method, four kinds of water lines in the natural channel surface line system, HEC-RAS software and SOBEK software projection methods, and different river water surface line projections, then the calculation results of the comparative analysis. The results show that: if the downstream starting water level on the upstream river water level downstream starting water level For a slope smaller and straight along regular cross-section of the river, upstream water level of rivers, the available the nullah constant uniform flow method, the water line projections; greater impact, you can use the natural channel surface line system for the water line projections; sectional irregular slow flow of the river, the water level projection results in a substantially natural channel surface line> HEC-RAS software> SOBEK software trend; rapids river HEC-RAS software projected water level than SOBEK software projected high water level.Keywords: nullah constant uniform flow method; natural channel surface line system; HEC-RAS software; SOBEK software; surface line projections 前言 水面线推算是河道整治的基础工作，其推算结果直接影响到河道断面的规划设计，进而影响到河道整治的工程量和工程造价。按照弗劳德数(Fr)的不同，河道水流流态可分为三类：缓流(Fr1)和临界流(Fr=1)。平原河道水流一般为缓流，山区河道水流一般为急流，临界流只存在于局部河段。不同的流态有不同的水面线算法，开展不同条件下河道水面线计算方法的应用研究，对于河道水面线推算方法的合理选用、提高设计人员的工作效率都有很重要的作用。笔者对河道整治中经常采用的几种水面线推算方法进行了分析。 1 水面线推算的几种常用方法 1．1 明渠恒定均匀流法
河道水面线推求 LT
沙河水面线推求过程 1.1 水面线计算理论根底 根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。 〔1〕水面线推算的根本公式 水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。 具体如下： 2g 2g 2 1w 2221V h V Z Z αα- ++= 〔1-1〕 式中： 1Z 、1V ——上游断面的水位和平均流速； 2Z 、2V ——下游断面的水位和平均流速； j f w h h h +=——上、下游断面之间的能量损失； l R C V h f 22 = ——上、下游断面之间的沿程水头损失； )22(2 12 2g V g V h j -=ζ——上、下游断面之间的局部水头损失； ζ——局部水头损失系数，根据?水力计算手册?，在收缩河段，一般 局部水头损失系数ζ=0；在扩散<段，由于2V <1V ，所以ζ<0，其中在渐扩段， ζ取值-0.333，急扩段、桥渡处ζ取值-0.05~-0. 1。 C ——谢才系数； R ——水力半径； α——动能修正系数。 分段求和法计算时，应注意以下及点：第一，把水深的断面作为起始断面。第二，明渠中水流必须是恒定流，并且流量沿程不变。第三，渠道糙率系数n 沿程不变。 〔2〕河道糙率 沙河河道与滩地糙率虽然有所不同，但相差较小，沙河主槽0.027，滩地
0.03对水位影响较小，这里统一按0.027取值计算。推求中一律按河道糙率计算。 1.2 计算过程 本次计算从K0+000断面到K14+400断面，河道纵断面变化如图1-1，图1-2。 图1-1 河道纵断面图 图1-2 沙河河道图
5.5.3设计洪水水面线推算 根据防洪设计标准及洪水分析，设计流量采用P=10%设计洪峰流量确定整治河道的治导岸线。根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。 （1）水面线推算的基本公式 水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。 具体如下： Z] = Z + 式中：Z]、V]——上游断面的水位和平均流速; Z2、V2 ——下游断面的水位和平均流速; "广七+h——上、下游断面之间的能量损失; 七=三l——上、下游断面之间的沿程水头损失; h =Z（匕2 - M）——上、下游断面之间的局部水头损失； j 2 g 2 g Z——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》，由于断面逐渐扩大的Z取值0.333，桥渡处Z取值0.05〜0. 1。 c——谢才系数； R --- 水力半径； a ——动能修正系数。 （2）河道糙率 河道的粗糙系数受到河床组成床面特性、平面形态及水流流态、植物、岸壁特性等影响，情况复杂，不易估计，本工程河道基本顺直，床面平整，经过整治的河床粗糙系数可以采用《水工设计手册》第一卷P1-404介绍的当量粗糙系数
%xn n 当=十；设总湿周X的各组成部分x 1 , x 2,……x»及所对应的粗糙系数分别为n1， n2 n N。选用砂土及淤泥渠道n=0.030；砌石护面n = 0.030；草皮n = 0.030。本工程护坡基本为干砌块石及草皮，护底采用天然地层。根据水位情况可以计算出不同水位下的综合糙率为0.030。 （3）水面线计算成果 根据城市发展规划和河段所处的地理位置条件，确定河道横断面采用梯形断面型式。护坡类型共有草土体结合柳桩护坡、干砌石结合格栅石笼护脚护坡两种，护坡边坡均为1:2。结合上下游河床实际宽度和河道比降合理拟定断面底宽和纵向比降。为了不改变现有河势和水沙冲淤平衡，河道设计底坡尽量与天然河道底坡一致。 表5-1治理段设计底宽及纵向比降分段统计表 根据清水沟的地形条件，按照控制断面侯汉公路断面（桩号4+365）、尹桥大沟（7+219）、清二沟（14+848）、新华桥水文站（24+400）、新渠渡槽（24+400）处的设计流量，从下游往上游逐段推算水面线。其中23+083〜26+767段由于受到黄河洪水顶托作用，水位抬升，水面线需要进行修正。具体方法是：根据黄河50年一遇设计洪水位1118.30m作为起始控制断面，应用水面线推算的基本公式，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。计算出的设计洪水水面线加上0.6m的