河网概化计算mike11

摘要：介绍了平原地区河网概化方法原理及计算过程。基于河网概化后的排涝复核计算，可优化平原河网骨干河道断面，较传统的推求河道的水位计算河道断面更为合理。并以九圩港河为例，对该河道进行了排涝复核，提出了排涝复核河道断面。

关键词：平原河网；概化；排涝复核

1 骨干河网基本情况

南通市的基本河网共分五级,即一级河(干河)、二级河（支河）、三级河（大沟）、四级河（中沟）、丰产沟（小沟），以大沟定向，逐级派生中沟、小沟、田块。其中干河12条，为直接通江通海的主要引排干河，为调节全市境内各级河网的纽带，支河为联系基本河网，起控制调度整个河网的作用。南通市骨干河道有如下特征：

（1）骨干河道多为人工开挖的运河，河道比较顺直；

（2）河道大部分通江入海，有涵闸控制，引排水可统一调度；

（3）大部分河流为双向水流；

（4）各河流之间除小部分有内河节制闸控制外，大部分河流相互贯通，水体交换频繁。

2 骨干河网概化方法

在分析南通市河网特性的基础上，考虑南通地区感潮河网的特点，对所涉及范围内的河道进行概化分析。由于骨干河道区间汇流河道数量众多，分布复杂，不便于计算，故将其区间汇流河道概化成河道的区间入流。概化的具体步骤有以下两点：

（1）一级河道的概化。将12条一级河道取直，按照所处位置及相应长度绘出示意图，河道相交之处为节点，边界范围内相同河道水流作为节点边界条件处理。

（2）二级河道的概化：根据地面高程及实时观测资料确定河流的方向，将二级河作为一级河道的区间入流。由于排涝流量与排涝面积是相对应的，并将二级河道的流域面积按比例分配到各汇入点，以箭头方向表示汇入方向。

3 排涝流量分析计算

3.1 排涝模数的确定

参照历史上的排涝出路总设想，南通市排涝可分为五大水利区，即江海平原区，高沙土区，斗南垦区，沿江圩区，里下河区。根据资料分析和实测结果，南通市河道洪峰流量主要由三日暴雨形成，区域性规划中主要考虑大面积的排涝，因此排涝规划选用三日设计暴雨。

南通地区排涝模数的影响因素较复杂，综合考虑河道的调蓄作用、设计降雨、排涝面积的大小和形状、地面坡度、地面覆盖和作物组成、土壤性质、排水沟配套情况及沟道比降等因素的前提下，对各排涝分区的排涝模数进行分析计算。

3.2 骨干河道排涝流量的分析计算

一级河道流域分布在不同的水利分区内，对应的排涝模数也不尽相同。流域面积乘以所在水利区排涝模数，可得到河道的区间流入量。由于河流内流量从上游到下游是一个复杂的汇流过程，需要同时考虑水流的时空变异性，这对于设计来说是不现实的。因此，在河段计算时，假设上游到下游的流量呈线形迭加情况，某一段河流的流量（即区间入流）以这段某一端点的流量作为计算值。计算时，河段水力分段不长，可保证同一计算段中流量变化不大。

4 河道排涝复核计算

4.1 河道水面线计算原理

在进行规划时，河道水面曲线近似按恒定流计算。其水面曲线用分段法计算。为了保证同一计算中流量不变，应将支流放在计算段的入口或出口。分段多少要视工程要求的精度而定。对不规则的河道，分段应短些；对较顺直的河道分段可长些，每一段的水面落差一般不应超过0.60m，以免产生较大误差。

因天然河道河床极不平整，难以通过计算水深来确定水面曲线，所以用计算水位来确定水面曲线。如图1所示为天然河道中的恒定非均匀流。图中：

流速水头h1=；h2=;

图1 天然河道恒定非均匀流水面线计算示意图

取相距△l的两个渐变流断面1和2,选取O-O为基准断面,列断面1和2的能量方程为

Z1+=Z2++△hw式（1）

其中△hw=△hf+△hj;

区间入流增加的水头：△hf=△l;

局部损失的水头：△hj=?孜（-）

将上三式代入能量方程，有Z1+=Z2+++?孜（-）

如所选的河段比较顺直均匀，两断面的面积变化不大，流速水头差和局部水头损失可略去不计，则式（1）可简化为：Z1-Z2= 式（2）

式中 Z1—上游水位，m；

Z2—下游水位，m；

A1—上游过水断面的面积，m2；

A2—下游过水断面的面积，m2；

Q—排涝流量，m3/s；

K—流量模数；

α1、α2—动能校正系数；

ξ—局部水头损失系数。

4.2 水面曲线计算方法

天然河道水面曲线的计算方法较多，主要有试算法和图解法。对于河流以及河段较多的地区，使用图解法绘图的工作量过于庞大，故选取试算法。试算时由下游向上游逐段推算。

根据上述原理方法，水面曲线推求可分为以下几个步骤：

（1）分段：据所给资料中一级河道端面情况，依据前面的分段原则，将每条河道分成若干段。在每一个计算段内，断面底宽、底高和河坡都是大体一致的，并且段中无支流汇入或汇出，支流放在计算段的入口或出口。

（2）确定控制断面。排涝复核选取设计水位作为控制水位，根据所给资料，确定控制水位及控制断面。

（3）水面线计算：根据式（2）水面线推算方法，编写程序。由于所给控制断面多为下游断面，故采用下游往上游推的方法编程。程序可由VB语言编写。

将VB程序生成可执行文件后，输入计算段起始水位、流量，即可求得计算段另一端点的水位值，以求得的水位作为下段的起始水位，继续推求，依次类推，可得到河流各分段点的水位，这样水面线就可推出。

5 以九圩港为例排涝复核计算

5.1 河道水系概化

九圩港是南通市重要的骨干河道，河道全长45.32km，河道自引江口门经过云台山、刘桥、石港至马塘与如泰运河相接，中部有通扬运河、团结河、江海河、英雄竖河、幸福竖河、兴石河、九洋河、遥望港等一、二级河相通。该河引水灌溉面积210万亩，汇流总面积553km2，该水系一、二级河道概化情况见图2、表1。

图2 九圩港河道概化图

表1 九圩港水系河道汇流特征统计表

5.2 河道断面排涝复核计算

根据原设计标准的河道断面情况以及已知的控制断面和控制水位，推求出各条河流的水面线。当河段在10km以内，水位落差大于0.6m时，应考虑调整设计断面。

在水位推求过程中，由不同河道推求到同一节点水位不相同，这就要求在节点外流量重新进行分配，水位高的流量分配少一点，水位低的流量多一些，然后再重新推求水面线，如果节点水位一致，则是计算成果，如果还不一致，流量再重新分配，计算，直到节点水位一致。在实际校核过程中，河道断面调整是与水位平差交互进行的，在流量重新分配后，断面有可能也要调整。

九圩港河道具体试算结果及断面调整情况见排涝复核计算结果表2：

6 结语

平原地区河网水力计算较为复杂，基于河网概化后的排涝复核计算，可从排涝复核方面优化平原河网骨干河道断面，该原理不仅可为平原感潮河网非恒定流水力计算提供可靠的计算模型，为骨干河道水力计算提供可行的方法，而且可为河网河道断面规划提供充分、可靠的参数。该方法较传统的频率计算推求河道的水位复核河道设计断面更为合理。本文主要从满足排涝要求的角度对平原河网骨干河道进行了复核，从九圩港的复核计算可以看出，九圩港河道除口门段能基本满足设计排涝要求，其余段尚需进行拓浚。

在区域水系规划中，河道断面的确定还必须结合灌溉引水河道断面、生态需水河道断面、维持河道水沙平衡河道断面及维持河道水盐平衡等多方面逐项进行分析计算。

其他的话就不讲了，我觉得在考虑概化之前，先思考以下几个问题：

1> 主要研究对象是否明确；

2> 地形以及边界数据资料收集情况；

3> 计算机硬件计算性能。

明确了以上几个问题后，决定要不要概化，然后是用什么方法进行概化。概化是很玄乎的，含2种情况，将已知情况（已测量）概化和将未知情况（未测量或不可能去测量）概化，对前者需认真考虑，对后者不要浪费时间吹毛求疵，没有必要。对Mike11水动力数学模型来将，其概化方法如下图所示。

通过实际案例计算来看，一般以最小空间步长50m，当前个人常规计算机来计算，则河网密度在1.5以上就需要进行概化，否则计算很慢，效率不高。对于大型河网的概化，如果真要一个个录入，工作

量很大，建议通过读写断面文件进行程序处理，有两种思路：1是了解断面文件的程序接口，设定一些统计值到excel等文档，实现自动写入；2是将断面文件导出成txt（包含processed data导出），按该txt的相应规则写程序导入。