胡建虎

(吉林省白城市水利勘測設(shè)計院，吉林 白城 137000)

河道水面線程序計算探析

胡建虎

(吉林省白城市水利勘測設(shè)計院，吉林 白城 137000)

由于生產(chǎn)建設(shè)的要求，常需在河道上修建大壩等水工建筑物、丁壩等河工建筑物以及對河道進(jìn)行裁彎、挖槽、汊道整修等整治工程，另外還有修建碼頭、橋梁等工程項目，為了保證工程及河道的安全運行，在水利工程設(shè)計中需要進(jìn)行水面線計算。文章以群昌水庫下游為實例，對下游河道進(jìn)行水面線計算，旨在為該河流流域治理等工程提供可靠的資料和依據(jù)。

計算目的；計算方法；基本資料；主要步驟；水面線計算

1 水面線計算目的

河道中河流水深沿程變化的曲線稱為水面線。河道水面線的計算就是從某控制斷面的已知水位開始，根據(jù)有關(guān)水文和地形等資料，運用水面線基本方程式，逐河段推算其他斷面水位的一種水力計算。在推算河道水面線時，因一般河道為緩流，故控制斷面一般放在下游，也就是計算從下游向上游逐段進(jìn)行。

在水利工程設(shè)計中，為了滿足生產(chǎn)建設(shè)的要求，常需在河道上修建大壩等水工建筑物、丁壩等河工建筑物以及對河道進(jìn)行裁彎、挖槽、汊道整修等整治工程，另外還有修建碼頭、橋梁等工程項目，這些水工建筑物或整治等工程的修建，將改變河道的自然狀態(tài)，使部分河段形成水深沿程增加的壅水河段或水深沿程減小的降水河段。因此為了保證工程及河道的安全運行，在工程設(shè)計中需要進(jìn)行水面線的計算。

2 水面線計算方法

進(jìn)行河道水面線計算的方法很多，如逐段試算法，圖解法以及簡易近似法等。隨著計算機(jī)的應(yīng)用及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水面線運用編程程序計算，它精確可靠、適用性廣，在工程實際上被普遍采用。

水面線計算程序需輸入起始斷面水位、起始流量以及斷面參數(shù)，建立各斷面幾何水力學(xué)要素與水位的關(guān)系。由于斷面幾何水力學(xué)要素是水位的函數(shù)，在試算過程中，要不斷地重新試算斷面幾何水力學(xué)要素，以保證計算的精確可靠性。本次水面線計算以群昌水庫下游務(wù)本站水文站為起始斷面，推算至該水庫斷面處。

3 水面線計算的基本資料

1)地形資料，如河道橫斷面圖。本次計算橫斷面圖為實測測量成果，可以直接應(yīng)用到水面線編程程序中計算，群昌水庫橫斷面圖見圖1。

圖1 水庫橫斷面圖

2)水文資料，如流域內(nèi)水文站提供的水位-流量過程線、河道糙率等。本次計算的群昌水庫下游有務(wù)本水文站，群昌水庫水位-流量關(guān)系圖見圖2，務(wù)本水文站水位-流量關(guān)系圖見圖3[1]。

圖2 水庫水位流量關(guān)系圖

圖3 水文站水位流量關(guān)系圖

4 水面線計算主要步驟

4.1 計算步驟

進(jìn)行水面線的計算過程，主要有以下幾個主要步驟：

1)根據(jù)計算的主要目的，按照要求收集計算所需的資料。

2)對地形資料的處理和計算是進(jìn)行水面線計算的第一步。通過對地形資料的分析，對需計算的河道進(jìn)行分段、劃分和設(shè)計計算斷面，建立各計算的斷面的幾何水力學(xué)要素與水位的關(guān)系。成功的水面線計算依賴于較為完善的地形資料，應(yīng)核對地形資料的完整性，對地形資料進(jìn)行分析以適應(yīng)水面線計算的要求。實際水面吸納資料是正確計算水面線的客觀基礎(chǔ)之一，離開客觀基礎(chǔ)，無論進(jìn)行多么復(fù)雜精細(xì)的計算，都難于獲得正確的結(jié)果。本次計算共計15個大橫斷面，均為實測橫斷面測量成果，資料完整，具有一定的可靠性和客觀性。

3)根據(jù)河段斷面實測水位、流量資料，在已劃分的計算河段上選定糙率。河道分段的原則是計算河段上下兩端計算斷面的幾何水力學(xué)要素的平均值基本上能代表該河段各斷面的情況，并要求河段內(nèi)其它斷面的斷面幾何水力學(xué)要素也基本上具有均勻一致性，計算斷面最好選在無回流的漸變斷面上?？傊?，河段劃分要從多方面考慮，對河道的分段一般采用人工方式進(jìn)行，兼顧考慮工程的實際情況，本次水面線計算大橫斷面的布置基本符合以上要求。

4)根據(jù)已有的水文資料，結(jié)合工程性質(zhì)、工程等級、設(shè)計任務(wù)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等來確定水面線計算起始斷面流量值、水位值，確定所需的上下游邊界條件，或稱起算條件。本次水面線計算設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)P=10%，以下游務(wù)本水文站為起始斷面，經(jīng)水庫調(diào)洪計算成果，Q起=599m3/s，由水文站水位-流量關(guān)系線圖查得相應(yīng)水位H起=192.52m。在有支流匯入的Cs11河段處，由于沿程流量有變化，在匯入口以上流域流量采用水庫控制最大泄量Q起=100m3/s，重新試算起始水位，推至水庫橫斷面處。

5)用前述的計算方法和步驟應(yīng)用水面線程序計算水庫下游水面線。

6)對計算的成果進(jìn)行合理性分析。

4.2 河道糙率

河道糙率是反映河流阻力的一個綜合性系數(shù)，也是衡量河流能量損失大小的一個特征量。它是水流與河槽相互作用的產(chǎn)物。由于糙率n等參數(shù)與主槽和灘地的水流狀態(tài)、邊界的地形有關(guān)，在假定主槽和灘地?zé)o水流動量交換的情況下，結(jié)合河道特征進(jìn)行綜合分析類比，按主槽和灘地分別進(jìn)行糙率計算，本次水面線計算采用的糙率參考天然河道糙率表。選用主槽糙率為0.030，灘地糙率為0.035[2]。

4.3 成果合理性分析

本次水面線計算設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)P=10%，以下游務(wù)本水文站為起始斷面，采用實測大橫斷面成果，數(shù)據(jù)具有一定的可靠性和客觀性，應(yīng)用水面線程序計算至群昌水庫橫斷面處的水面高程H=231.40m。而由群昌水庫控制最大泄量Q=100m3/s時，根據(jù)水庫水位-流量關(guān)系圖查得相應(yīng)的水面高程H’=231.42m，兩者計算誤差僅為0.02m，誤差相差不大，成果合理。經(jīng)水面線程序計算，群昌水庫下游水面線成果見表1。

表1 群昌水庫下游水面線計算成果表(P=10%)

5 結(jié) 語

在水利工程設(shè)計中，為了滿足生產(chǎn)建設(shè)的要求，常需在河道上修建大壩等水工建筑物、丁壩等河工建筑物以及對河道進(jìn)行裁彎、挖槽、汊道整修等整治工程，另外還有修建碼頭、橋梁等工程項目，這些水工建筑物或整治等工程的修建，將改變河道的自然狀態(tài)，使部分河段形成水深沿程增加的壅水河段或水深沿程減小的降水河段。因此為了保證工程及河道的安全運行，在工程設(shè)計中需要進(jìn)行水面線的計算。進(jìn)行河道水面線計算的方法有逐段試算法，圖解法以及簡易近似法等。隨著計算機(jī)的應(yīng)用及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水面線運用編程程序計算，水面線計算程序需輸入起始斷面水位、起始流量以及斷面參數(shù)，建立各斷面幾何水力學(xué)要素與水位的關(guān)系。水面線程序計算方法精確可靠，適用性廣，在工程實際上被普遍采用。本次群昌水庫下游水面線計算成果可以為該河流流域治理等工程提供可靠的資料和依據(jù)。

[1]許仿曾.河道水力學(xué)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，1994：19-36.

[2]李煒.水力計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：41-85.

1007-7596(2017)07-0052-03

2017-06-18

胡建虎(1982)，男，吉林白城人，從事水利工程設(shè)計工作。

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