河道水面线程序计算探析

胡建虎

(吉林省白城市水利勘测设计院，吉林 白城 137000)

河道水面线程序计算探析

胡建虎

(吉林省白城市水利勘测设计院，吉林 白城 137000)

由于生产建设的要求，常需在河道上修建大坝等水工建筑物、丁坝等河工建筑物以及对河道进行裁弯、挖槽、汊道整修等整治工程，另外还有修建码头、桥梁等工程项目，为了保证工程及河道的安全运行，在水利工程设计中需要进行水面线计算。文章以群昌水库下游为实例，对下游河道进行水面线计算，旨在为该河流流域治理等工程提供可靠的资料和依据。

计算目的；计算方法；基本资料；主要步骤；水面线计算

1 水面线计算目的

河道中河流水深沿程变化的曲线称为水面线。河道水面线的计算就是从某控制断面的已知水位开始，根据有关水文和地形等资料，运用水面线基本方程式，逐河段推算其他断面水位的一种水力计算。在推算河道水面线时，因一般河道为缓流，故控制断面一般放在下游，也就是计算从下游向上游逐段进行。

在水利工程设计中，为了满足生产建设的要求，常需在河道上修建大坝等水工建筑物、丁坝等河工建筑物以及对河道进行裁弯、挖槽、汊道整修等整治工程，另外还有修建码头、桥梁等工程项目，这些水工建筑物或整治等工程的修建，将改变河道的自然状态，使部分河段形成水深沿程增加的壅水河段或水深沿程减小的降水河段。因此为了保证工程及河道的安全运行，在工程设计中需要进行水面线的计算。

2 水面线计算方法

进行河道水面线计算的方法很多，如逐段试算法，图解法以及简易近似法等。随着计算机的应用及计算机技术的发展，水面线运用编程程序计算，它精确可靠、适用性广，在工程实际上被普遍采用。

水面线计算程序需输入起始断面水位、起始流量以及断面参数，建立各断面几何水力学要素与水位的关系。由于断面几何水力学要素是水位的函数，在试算过程中，要不断地重新试算断面几何水力学要素，以保证计算的精确可靠性。本次水面线计算以群昌水库下游务本站水文站为起始断面，推算至该水库断面处。

3 水面线计算的基本资料

1)地形资料，如河道横断面图。本次计算横断面图为实测测量成果，可以直接应用到水面线编程程序中计算，群昌水库横断面图见图1。

图1 水库横断面图

2)水文资料，如流域内水文站提供的水位-流量过程线、河道糙率等。本次计算的群昌水库下游有务本水文站，群昌水库水位-流量关系图见图2，务本水文站水位-流量关系图见图3[1]。

图2 水库水位流量关系图

图3 水文站水位流量关系图

4 水面线计算主要步骤

4.1 计算步骤

进行水面线的计算过程，主要有以下几个主要步骤：

1)根据计算的主要目的，按照要求收集计算所需的资料。

2)对地形资料的处理和计算是进行水面线计算的第一步。通过对地形资料的分析，对需计算的河道进行分段、划分和设计计算断面，建立各计算的断面的几何水力学要素与水位的关系。成功的水面线计算依赖于较为完善的地形资料，应核对地形资料的完整性，对地形资料进行分析以适应水面线计算的要求。实际水面吸纳资料是正确计算水面线的客观基础之一，离开客观基础，无论进行多么复杂精细的计算，都难于获得正确的结果。本次计算共计15个大横断面，均为实测横断面测量成果，资料完整，具有一定的可靠性和客观性。

3)根据河段断面实测水位、流量资料，在已划分的计算河段上选定糙率。河道分段的原则是计算河段上下两端计算断面的几何水力学要素的平均值基本上能代表该河段各断面的情况，并要求河段内其它断面的断面几何水力学要素也基本上具有均匀一致性，计算断面最好选在无回流的渐变断面上。总之，河段划分要从多方面考虑，对河道的分段一般采用人工方式进行，兼顾考虑工程的实际情况，本次水面线计算大横断面的布置基本符合以上要求。

4)根据已有的水文资料，结合工程性质、工程等级、设计任务、设计标准等来确定水面线计算起始断面流量值、水位值，确定所需的上下游边界条件，或称起算条件。本次水面线计算设计标准P=10%，以下游务本水文站为起始断面，经水库调洪计算成果，Q起=599m3/s，由水文站水位-流量关系线图查得相应水位H起=192.52m。在有支流汇入的Cs11河段处，由于沿程流量有变化，在汇入口以上流域流量采用水库控制最大泄量Q起=100m3/s，重新试算起始水位，推至水库横断面处。

5)用前述的计算方法和步骤应用水面线程序计算水库下游水面线。

6)对计算的成果进行合理性分析。

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作用的产物。由于糙率n等参数与主槽和滩地的水流状态、边界的地形有关，在假定主槽和滩地无水流动量交换的情况下，结合河道特征进行综合分析类比，按主槽和滩地分别进行糙率计算，本次水面线计算采用的糙率参考天然河道糙率表。选用主槽糙率为0.030，滩地糙率为0.035[2]。

4.3 成果合理性分析

本次水面线计算设计标准P=10%，以下游务本水文站为起始断面，采用实测大横断面成果，数据具有一定的可靠性和客观性，应用水面线程序计算至群昌水库横断面处的水面高程H=231.40m。而由群昌水库控制最大泄量Q=100m3/s时，根据水库水位-流量关系图查得相应的水面高程H’=231.42m，两者计算误差仅为0.02m，误差相差不大，成果合理。经水面线程序计算，群昌水库下游水面线成果见表1。

表1 群昌水库下游水面线计算成果表(P=10%)

5 结 语

在水利工程设计中，为了满足生产建设的要求，常需在河道上修建大坝等水工建筑物、丁坝等河工建筑物以及对河道进行裁弯、挖槽、汊道整修等整治工程，另外还有修建码头、桥梁等工程项目，这些水工建筑物或整治等工程的修建，将改变河道的自然状态，使部分河段形成水深沿程增加的壅水河段或水深沿程减小的降水河段。因此为了保证工程及河道的安全运行，在工程设计中需要进行水面线的计算。进行河道水面线计算的方法有逐段试算法，图解法以及简易近似法等。随着计算机的应用及计算机技术的发展，水面线运用编程程序计算，水面线计算程序需输入起始断面水位、起始流量以及断面参数，建立各断面几何水力学要素与水位的关系。水面线程序计算方法精确可靠，适用性广，在工程实际上被普遍采用。本次群昌水库下游水面线计算成果可以为该河流流域治理等工程提供可靠的资料和依据。

[1]许仿曾.河道水力学[M].北京：中国建材工业出版社，1994：19-36.

[2]李炜.水力计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：41-85.

1007-7596(2017)07-0052-03

2017-06-18

胡建虎(1982)，男，吉林白城人，从事水利工程设计工作。

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