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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。
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 lQ gv z gv z 2 2 2 2 2 1 2 222 222211 ? ? ?横断测量成果表举例如下：实Array际推算时，应保证横断数据顺序与推算方向一致，注意选择使用水面线推算对话框上的“横断数据顺序颠倒”核选框进行倒换。
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9.9，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⎪⎪ ⎭⎫⎝ ⎛ - + ∆ ++= + g v g v K lQ gv z gv z2 2 2 2 2 1 2 222 222211ξ α α格隔开，空格多少不受限制，其中“点注释”可以省略。
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：式中：乙、Z i 为计算段上、下游断面水位；V 2、V 为计算段上、下游断面平 均流速，2、 i 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aa 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 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：3 A V dA式中：V 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。
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， 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 Z 2M 22g h f h j扩散段取=-0.5〜-1.0 ;对于收缩段 =0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：式中：L 为计算段上下游断面间距（m ，K 为流量模数，K CAJR ，—般采用扛 K7是上下两断面的流量模数；C 为谢才系数，C 朴， 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:2 2 准 V 2_） （2g 2g ）式中： 为局部阻力系数。
文件：D:\water\SLSDW\INT\D-14.out************************************************************************ ***** 天然河道水面曲线计算书 D-14 ***** ************************************************************************ 河流名称:ALGOU 流量 Q= 320第 1 个断面与前一断面间之距离: L= 0 河段局部阻力系数: GG= 0地形点个数: M= 11 糙率: n=0.040011 个地形点的坐标:NO X Y NO X Y1 0.00 96.00 7 20.00 86.402 0.00 88.70 8 27.20 88.503 4.00 86.10 9 32.60 88.804 12.00 85.90 10 42.30 88.505 17.20 85.60 11 42.30 96.006 19.50 86.10计算结果========水位: Z= 90 过水断面积: W= 114.66 平均流速: V= 2.791第 2 个断面与前一断面间之距离: L= 39 河段局部阻力系数: GG= 0 地形点个数: M= 12 糙率: n=0.040012 个地形点的坐标:NO X Y NO X Y1 0.00 97.00 7 27.40 87.202 0.00 90.20 8 33.00 90.103 3.40 88.00 9 40.00 90.104 7.20 86.00 10 40.60 89.705 12.50 86.30 11 46.40 87.306 21.60 86.70 12 46.40 97.00计算结果========水位: Z= 90 过水断面积: W= 100.67 平均流速: V= 3.179D －14 天然河道水面曲线计算程序作者 张校正（新疆水利厅）一、程序功能已知天然河道各横断面的地形点资料，各断面平均糙率以及起始断面水位，按照伯努里方程，逐段向上游或者向下游推算，求出各断面的水位。
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9.9，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⎪⎪ ⎭⎫⎝ ⎛ - + ∆ ++= + g v g v K lQ gv z gv z2 2 2 2 2 1 2 222 2 2 22 1 1ξ α α格隔开，空格多少不受限制，其中“点注释”可以省略。
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9.9，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⎪⎪ ⎭⎫⎝ ⎛ - + ∆ ++= + g v g v K lQ gv z gv z2 2 2 2 2 1 2 222 2 2 22 1 1ξ α α格隔开，空格多少不受限制，其中“点注释”可以省略。
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。
天然河道水面线推算方法及基本参数的分析作者：宗希宇范旭辉来源：《名城绘》2018年第06期摘要：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。
关键词：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。
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。
天然河道水面曲线计算问题新疆水利厅张校正在水力学教科书中，论述天然河道水面曲线计算的方法时，一般都是对河道相邻两断面列出伯努立方程，从已知断面水位，依次求解此方程，得出未知断面的水位，这些断面的水位的连线，就认为是河道的水面曲线。
《程序集》中的D-14A就是按照这个原理编制的。
一、D-14A的程序功能已知天然河道各横断面的地形点坐标及糙率，从起始断面水位开始，按照伯努里方程，逐段向上游或者向下游推算，求出各断面的水位。
计算结果输出地形点坐标，绘出河道横断面图，标出水位，打印流量、平均流速值。
1，河床的糙率可以随地形点的不同而变化。
2，局部阻力系数可随不同河段选用不同值。
3，程序采用二分法，优选试算，从而加快了收敛。
二、D-14A的计算原理1，水面曲线计算原理：Wh gV Z gV Z ++=+22211222αα如图示，根据伯努里方程：-------------(1)式中：Z 1、V 1 -- 断面1的水位和流速； Z 2、V 2 -- 断面2的水位和流速；h W = h y + h j -- 断面1到断面2之间的水头损失；h y = j ×ΔL -- 沿程水头损失； j = V 2/(C 2R) -- 沿程摩阻坡度；V C ，R -- 断面1和断面2的平均流速、平均流速系数、平均水力半径；ΔL -- 两断面间的距离； h j =-ξ(V 12/2g-V 22/2g)—局部水头损失；ξ -- 河段的局部阻力系数，在顺直河段及收缩河段ξ=0，()022222121=∆⨯+⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+-L j g V g V Z Z ξα()022222121=∆⨯+⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+-=L j g V g V Z Z K ξα逐步扩散河段ξ=(0.3～0.5)， 急剧扩散河段ξ=(0.5～1.0)。
将(1)式移项：--------------(2)方程 (2) 中，Z 1，V 1，α，ξ，ΔL 均为已知，采用二分法试算求解Z 2。
