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)
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