河道非恒定流水面线计算研究

总733期第三十五期2020年12月河南科技Journal of Henan Science and TechnologyHEC-RAS一维恒定流模型在水面线计算中的应用研究张冲（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）摘要：本文运用HEC-RAS软件对蜂蜜河明岩水库段天然条件下20年一遇水面线进行计算，同时采用水面线计算程序SMX对其结果进行复核对比分析。

结果表明，运用HEC-RAS软件计算河道水面线，既高效又准确，而且操作方便简捷，人机界面友好。

因此，建议在涉河工程的水面线计算中推广和使用该软件。

关键词：HEC-RAS软件；一维恒定流；水面线；蜂蜜河中图分类号：TV133文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0068-03Research on Application of HEC-RAS One-dimensional Constant FlowModel in Water Surface Line CalculationZHANG Chong（Jilin Province Water Resource and Hydropower Consultative Company，Changchun Jilin130021）Abstract:In this paper,the HEC-RAS software was used to calculate the once-in-20-year water surface line of the Mingyan Reservoir section of the Fengmi River,and the water surface line calculation program SMX was used to re⁃view and compare the results.The results show that the use of HEC-RAS software to calculate the river water surface line is efficient and accurate,and the operation is simple and convenient,and the man-machine interface is friendly. Therefore,it is recommended to popularize and use this software in the calculation of the water surface line of the riv⁃er crossing project.Keywords:HEC-RAS software；one-dimensional constant flow model；water surface line；Fengmi River由于河流开发、河道利用及防护的需要，水利水电工程常常在河道中修建大坝、堤防、水闸等水工建构筑物，电力、河港、油气管线等工程不可避免地需要修建跨河、穿河或者临河的建筑物设施，这些工程的修建将改变河道的天然状态，相应地，河流的水动力条件也发生较大变化。

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，根据经验与《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，中间用空断面1桩号起点距 高程 点注释 起点距 高程 点注释 起点距 高程 点注释 ……起点距 高程 点注释 断面2桩号起点距 高程 点注释 起点距 高程 点注释 ……起点距 高程 点注释 ⎪⎪ ⎭⎫⎝ ⎛ - + ∆ ++= + 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。

天然河道水面线计算的几种方法探讨作者：赵文丽来源：《城市建设理论研究》2012年第30期摘要：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中图分类号：TV文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）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。

=水文勘测>工程设计中天然河道水面线计算吴树煌,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) 1摘要2 天然河道水面线计算的方法及建议。

1关键词2 水面线;计算;建议中图分类号:TV131.4文章标识码:C文章编号:1009-0088(2008)03-0013-03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。

1流态为缓流的天然河道绘制其水面线所依据的基本方程式为恒定、非均匀缓变流的能量方程,其差分形式如公式(1)。

i-i f=v Esv L(1)式中i)计算分段纵坡;v L)计算分段长度(m);v E s)计算分段上、下游断面的断面单能量差;v E S=E sn-E sn+1=(h n+av n22g)-(h n+1+av n+122g)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。

i f)单位长度的摩阻损失。

近似按均匀流计算i f=v2c2R(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<h01时计算的水面线;Ò-Ò表示初始计算断面1-1假设水深hÒ1>h01时计算的水面线;1-1为初始计算断面,2-2、,,n-n、n+1-n+1等为从下游往上游其它计算断面的顺序编号;01、02,,0n+1表示正确水面线1-1、2-2、,,n+1-n+1等断面水力要素的下标。

探讨天然河道水面曲线计算方法2012年的暴雨洪水给我国很多地方造成了生命财产的重大损失，引起了防洪部门的重视，纷纷加大了防洪工程的投入。

因而防洪工程的水力学计算，尤显重要。

在我国的有关防洪工程的规范中，大量的篇幅，是有关工程措施的规定，水力学计算部分内容很少，没有具体的公式。

旧版的《水工设计手册》以及水力学教科书中，有对天然河道水面曲线的详细论述和计算方法讲解。

大家都是按照这些常规算法，解决天然河道水面曲线计算问题。

新版的《水工设计手册》也有天然河道水面曲线计算的章节，武汉大学水利水电学院出版的《水力计算手册》中也有河道恒定流水面曲线计算章节。

对于天然河道的各种水力要素的计算，有着详尽的规定。

上面所说的这些书中的方法是暴雨洪水的一种水力学模型，是一种一维静态的水力学模型，也就是所谓的'推求法'，是从已知水位推求未知水位的计算方法。

本文从这个方法的使用过程中碰到的问题，就暴雨洪水的一维静态的其它的水力学模型进行一些研讨。

一、推求法计算天然河道水面曲线该方法是求解下面的基本方程（即伯努利方程）：这是一个在河道上解决非均匀流，从已知水位推求未知水位的方程。

在没有计算机的年代，这是一个繁琐的计算工作，旧版的《水工设计手册》详细的列出了它的計算方法。

随着计算机的出现，很多技术人员，用计算机编程解决这个问题。

但使用的结果却让人有些失望，大家为此困惑不解的是程序编制经过多次检查，又有成功的范例，为什么有些情况下就计算不下去，问题到底出在哪里呢？经过分析，本人认为这种方法用于水库回水曲线计算时，大都是对的，能得到满意的结果。

但是用到一些山区河流，以及从没有发生过这么大洪水的河流，甚至季节性干涸的河流，就可能出现问题。

原来，这个基本方程的使用是有条件的，它有3个前提：1、计算的起始断面水深，必须来之有据，不能任意假定；2、相邻断面之间水流必须是渐变性质，不能有水跃；3、相邻断面距离不能太长，以满足方程的微分特性。

河渠水面线推求方向的可行性研究【摘要】伴随我国经济的发展，各种基础设施都不断开始修建，施工规模逐渐扩大，为了保障各种工程施工的质量，对施工设计有了更严格的要求，水面线是整个江河湖泊防水大堤设计的重要依据，对我国防洪减灾有着十分重要的意义。

因此，加强河渠水面线的推求，对整个防护提的设计有着十分重要的意义，不仅仅很大程度上确保了整个防护提设计的精密性和科学性，更使得各种河渠大堤的设计日渐规范和成熟。

随着我国各种设计理念的成熟和完善，对河渠水面线的推求有了新的进步。

在进行河渠水面线的推求过程中，必须遵循一定的原则和程序。

首先，要确定河渠水面线的推求方向，这将直接影响到整个推求结果，在理论层面，对河渠水面线的推求既可以从上游往下游推求，也可以从下游到上游的方向推求，但是在河渠水面线的具体推求过程中，有时候无论是从上游到下游，还是从下游到上游，都会存在着无法推求的情况。

笔者据多年研究经验，将在借鉴国内外相关学者的经验基础上，对河渠水面线推求方向的可行性做出全面深入研究，并重点分析从下游水位推求上游水位方法，并总结研究结果。

【关键词】河渠，水面线，推求方向，可行性，研究一.前言我国是一个洪涝自然灾害较多的国家，各地区降水不均，降水时节有着很大的差异，因此，造成了很多地方存在着水旱灾害，为我国的经济发展和社会的稳定带来了很大的威胁，因此，建立健全我国的防洪减灾体系，是维护社会稳定，保障人民安居乐业的必然措施。

在防洪减灾系统中，水面线是江河堤防设计的重要依据，它直接关系到堤防的规模与防洪安全。

加强对河渠水面线的推求，已经是一个很大的难题，如何科学合理的确定推求的方向，这是整个水面线的推求过程中的关键环节。

虽然世界上相关领域的专家对此问题作出了深刻的研究，但是，这些理论在某种程度上而言，依然会存在着很多的问题，难以与实际情况密切符合。

我国在对水面线的推求领域已经有了一些进步，但是，经过无数次的推求和实践，依然存在着无论是从上游到下游，还是从下游到上游，都会在推求过程中遇到计算不收敛、无法推求的情况，这种情况尤其是在一些山区的河渠水面线的推求过程中，显得更为明显。

水面线计算示例注：水面线计算是水利设计的一部分，作为水工设计人员是必须掌握的。

下面以《水力学》第四版 吴持恭编p241的例子进行计算演算开始：1 判定水面曲线形式 a 临界水深求解：m 27.11081.945322322=⨯==gb aQ h k b 正常水深求解因为梯形断面，故正常水深需用迭代法计算（迭代法原理非常简单，首先定一数，代入，求解，再代入，直至误差满足要求）步骤：明渠均匀流流量公式Ri AC Q =；h mh b A )(+=；212m h b ++=X ；X=AR ；611R n C =得mh b m h b inQ h +++=52253))1(2()(迭代开始：kk k mh b m h b i nQ h +++=+522531))1(2()(（k=0,1,2,3……….） 取h 0=0；得h 1=8.149；取h 1=8.149；得h 2=1.594；取h 2=1.594；得h 3=1.981；取h 3=1.981；得h 4=1.959；取h 4=1.959；得h 5=1.959，迭代停止，得正常水深为1.96m 。

c 判定陡坡还是缓坡 计算临界坡需同时满足两个公式1 满足临界流： kk B A g aQ 32=（1） 2 满足均匀流 k k k k i R C A Q = （2） 联立（1）、（2）式： 得kk k k k k k k B aC g B R aC gA i 2X ==；6.14122=++=X m h b k k ；16.15)(=+=k k k k h mh b A ；04.1=X =k k k A R ；75.45161==k k R nC ；得i k =0.0068>0.0009=i ，故为缓坡。

d 判定急流还是缓流因正常水深h 0=1.96>1.27=hk （临界水深），故可知为缓流，而末端水深h 为3.4>1.96=h 0（正常水深）；可知为壅水曲线。

明渠水面线计算方法研究摘要：水面线是水力学的重要研究内容，水面线在水利工程、水文预报及水库管理中起着重要的作用。

本文通过对明渠水面线计算方法的研究分析，得出了应用理论公式计算水面的可行性，为后续通过应用公式计算水面线提供了依据，可以使明渠水面线计算快速求解。

关键词：明渠；水面线；计算方法0、引言水面线, 亦可称流动断面,是流动的水体和气体交界的一条曲线。

水面线计算是进行防洪规划、明渠整治的基础，其结果直接左右明渠断面的规划设计，对整个防洪工程的工程量和投资都有重要影响。

变截面渠道和天然河道的水面线通常用水位或水深沿流程的变化情况来描述，考虑到河道底高程的不规则变化, 用水位变化来表征水面线更为方便与直观。

1、研究方法现状现行的水面线计算方法是试算数学模型,这使得水面线推求费时费力，且精度不高容易出错，覆盖范围不广，不便于借助计算机编程计算。

传统的计算水面线迭代方法遇到比较复杂的函数表达式时求导困难，并且初始值要在某一领域选择，且计算精度不高，适用范围比较有限。

而水面线的推求又是确定工程规模的重要依据，其推算结果的准确度直接影响到工程输水效果、建设规模和造价等。

因此，解决传统计算模式中计算精度不高、初始值选择受限等问题成为现阶段研究的重点。

2、明渠水面线计算方法在实际应用中通常遇到断面、底坡等断面参数存在沿程持续改变的问题，此时若继续采用单级定断面明渠的计算方法进行逐段试算，可能会造成计算误差大、工作量繁琐等后果。

因此，对多级变坡、变断面棱柱体明渠水面线的计算，有必要考虑水力参数沿程改变情况下的一般解法，达到优化水面线计算的目的。

研究运用ras软件进行计算，通过设置好的程序输入已知的水力参数即可得到沿程的水深变化情况，并由此绘制出相应的水面线。

研究思路是把上游渠道末的相关计算结果作为下游渠道端的已知条件，之后利用迭代的思想计算出沿程水深，并由得出的数据绘制出相应计算段的水面线。

3、明渠水面线误差影响因素分析明渠水面线计算时默认为水力参数在分段区间内保持不变，实际情况下，水面线计算结果受到断面划分方法、测站数据准确性、水头损失等因素的影响，导致计算水面线结果与实际情况存在一定误差。