天然河道水面线推算方法及基本参数的分析
工程设计中天然河道水面线计算
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２
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３
０：
Ｊ
ｎ ： ｎｌ ＋‘ ｂ １ 、 一 一 中 一 一 一 一 一 １ 一 一一 — 一一 ～ 一一 一一 一
ｈ ０ 一 ０Ｉ 一 】 １ ： ｈ ｔ 一 一一 １ ， ｆ
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 、 均 非 匀缓 变 流 的能 量方 程 ， 其差 分形 式 如公 式 （ ） １。
—
时计算的水面线 ； Ⅱ一Ⅱ 表示初始计算断面 １— 假设 水深 ｈ １ Ⅱ＞
ｈ 。 时计 算 的水 面线 ； １ 为初 始 计 算 断 面 ， —１ ２—２ … … ｎ—ｎ ｎ＋１一ｎ 、 、
昊 煌华 敏 王 彬 树 ，智 ，文
（ 内蒙古水利水 电勘 测设 计院 ， 内蒙古 呼和浩特 ０ ０２ ） １０ ０
竹 １ 竹 竹 竹
＃
１ ‘
要 ］ 天然河道水面线计算的方法及建议 。
文章标识码 ： Ｃ 文章编号 ：０ ９— ０ ８ ２ ０ ） ３～ ０３—０ １０ ０ ８ （ ０ ８ ０ ０ １ ３
…
件 并对 如 何 使 各 种 水 面 线 计 算 更 为 准 确 提 出 一 些 建
议。
图１ 流 态为缓 流的河道
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 表 示初 始 计 算 断 面 １—１ 假 设 水 深 ｈ。 。 —Ｉ ， 。＜ｈ
近似按 均 匀流 计算 ＝
儿
— — —
（） ２
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
山区河道水面线和管涵漫水桥壅水计算探讨
山区河道水面线和管涵漫水桥壅水计算探讨摘要：在防洪规划和咨询类项目中对山区河道水面线和管涵漫水桥壅水的精确计算一直是一个重点难点。
随着计算机技术的发展，人们在工程实践中对防洪规划工作的科学化、精细化要求越来越高，突出表现在面对一些比较复杂情况的水面线计算问题时提出了更高的精度要求。
山区天然河道设计水面线和对管涵漫水桥壅水计算是江河堤防工程设计的重要依据，直接关系到堤防工程的规模和安全。
关键词：山区；管涵；漫水桥；水面线；壅水一、山区天然河道水面线计算(一)计算方法山区天然河道水面线的计算，就是根据河道地形、断面资料、糙率、比降等资料，推求该河段某个断面处在某一流量下的水位，据此可连接出一条对应于该流量的水面曲线。
山区天然河道水面线计算一般采用恒定非均匀流能量方程计算，其公式为：式中：Zu、Zd分别为上、下游断面水位；Q为断面流量；△s为断面间距；Ku、Kd为上、下游断面流量模数，n为断面糙率，A为断面面积，R为水力半径；α为动能修正系数，与断面上流速的不均匀性有关，对流速不大的平原河道影响较小，一般取α=1；对流速较大的山区河流或急流险滩其α值应偏大，山区河流α=1.5～2.0；ξ为局部水头损失系数。
计算的常用方法为试算法和图解法，由于计算机的普及和计算技术的发展，适用于计算机编程的试算法应用普遍。
(二)参数确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。
工程设计中河道复式断面天然水面线计算
ｚ ２ ＋ 仅 ２ Ｖ ￣ ／ ２ ｇ ＋ ∈ Ｖ ／ ２ ｇ
将 Ｖ＝ Ｑ ／ Ａ代 入上 式 ， 则上式 可写 为 ：
式 中各 符 号 与前 述 同。其 它 计 算 ， 与 单 一 断 面 型
式 采用 公式 相 同 。
ｚ ｌ ＋ Ｑ （ １ ＋ ‘ ） Ｖ ￣ ／ ２ ｇ — Ａ — Ｑ △Ｌ ／ ｋ ＝ Ｚ ２ ＋ Ｑ （ Ｏ ． ｒ ２ ＋ ‘ ） Ｖ ￣ ／ ２ ｇ Ｋ ２ ＋ （ Ｋ ＋ （ Ｋ ｉ ） ／ ２ ， Ｋ ｌ ＝ ｃ ｌ Ａ １ Ｒ １ ，
恒 定非均 匀流 能量公 式 ， 采 用断 面垂线 分割 法 ， 进 行 了河道 水 面线推 求 。
［ 关键 词 ］ 复 式断 面 ； 天 然水 面线
中图分类号 ： Ｔ Ｖ １ ３ ３ 文章标识码 ： Ｂ 文章编号 １ ０ ０ ９— ０ ０ ８ ８ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ４—０ ０ ３ ２— ０ １
Ｑ ， ＝Ａ Ｃ
１
＝Ｋ ，
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竺
图 １ 复式 河道 断面
ｚ ｌ ＋ Ｏ ． ｆ １ Ｖ ￣ ／ ２ ｇ ＋ ∈ Ｖ ／ ２ ｇ — Ｑ ＡＬ ／ ｋ
＝
Байду номын сангаас通过复 式 断面 的总 流量 Ｑ为 ： Ｑ ： ＝Ｑ ＋Ｑ ＋Ｑ ＝
３ 计算 实例
竹箦河 是溧 阳市 北 部 地 区重 要 的 行洪 河 道 ， 河道
过 水 断面 为复式 断 面 ， 准 确计 算 设 计 标 准 下 洪 水 位 高
Ｋ ２ ＝ Ｃ ２ Ａ ２ Ｒ ２ ， ｃ Ｉ ＝ 音 Ｒ ｌ ， Ｃ ２ Ｒ ２
自然河道的水面线计算需要的条件
自然河道的水面线计算需要的条件
在进行自然河道的水面线计算中，最为重要的条件就是空间分辨率和空间精度。
空间分辨率是指在一定空间尺度范围内，空间数据覆盖面积和介质参数分布特征的质量。
这一空间精度是指空间数据中特定要素的准确性。
在自然河道水面线计算中，空间分辨率和精度是极为重要的参数，直接影响着水体的变化进程。
除了空间分辨率和精度，自然河道水面线计算还需要充足的训练数据。
据统计，在江河的水面高变化范围在30-400m之间，水体变化率达到0.3-3.0mm/s，而在澡洗洪水中，水深变化幅度可达400-500m，水体变化率达到10-20mm/s，随着水控开发的加深，水体变化就会更快，而且水体变化有一定的规律性。
所以，训练数据是非常重要的，没有充足的资料是不能准确计算水面线。
此外，自然河道水面线计算还需要具备一定的水利水文学知识。
具体来说，水面线计算涉及到河流流体力学、水环境介质特性、水文泥沙演变、水能动力、河流断面变化以及拉升滑移等多种内容，操作过程也需要牢记大量水利水文相关的公式，以便在计算过程中全面把握河流水体特性和变化状态，最终实现对水面线的精准估算。
总之，自然河道水面线计算中所必需的条件有空间分辨率、空间精度、训练数据和水利水文学知识，满足这些要求是水体变化估算的前提，它也是水文调查的重要部分。
掌握这些知识，才能更好地发掘河流的自然变化规律，有助于为更加科学和高效的水利发展提供建议和服务。
水面线
, 为谢才系数（见谢才公
式）， 为过水面积， 为水力半径（见明渠恒定均匀流）； 为流段长度； 为动能校正系 数； 为流段局部水头损失系数； 为重力加速度。
对于人工渠道，无论是否棱柱形均可用下式计算：
[232-03]
式中[232-04]
称为断面单位能量； 为流段平均水力坡度。
明渠恒定急变流 由局部渠段的边界形状（包括底坡）剧变或建筑物的阻遏作用所引起， 影响范围较短。有的流动变化主要表现在沿程的铅直纵剖面上，例如水跃、跌水等；有的则 主要表现在水平面上，例如轴线弯折的渠段水流、断面尺寸突变（扩宽或收缩）处的水流。 有时还产生旋涡区，流态甚为复杂。明渠急变流研究的内容因具体情况而异，例如弯道水流 研究横向比降及断面环流，如果是急流还涉及冲击波现象。泄水建筑物引起的急变流主要是 研究泄水能力与建筑物尺寸、形式的关系以及流态的演变过程等，这部分内容已独立成为水 力学中堰流、孔口出流、水流衔接与消能等专题。
面]
[曲线实
例]
）。
水面曲线的计算方法最基本的是分段法。该法将整个流动分为若干流段,对每一流段直接应 用能量方程 对于天然河道，分段法的公式为：
[232-01] 式中 为水位； 为断面平均流速； 及 的下标 u 和 d 分别代表上、下游断面； 为流量; 为
流段平均流量模数,即 ＝( + )/2,这里[232-02]
及临界坡 ＝ 三种） 平坡( ＝0)及负坡( [89-04] 0)上不同水深区域
(以均匀流水深线 － 和临界水深线 － 为划分界限)内发生的水面曲线进行分析,共得 12 条曲线（图 1[棱柱形渠道水面曲
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线]
）。至于形成这些水面
曲线的具体原因可有多种，例如在缓坡渠道上建闸，如闸上游水位超过 － 线便发生 型 曲线，而下游闸孔泄流后接着发生 型曲线（图 2[水
天然河道水面线数学模型研究
① 、②上 的平 均 流 速 水 头 ，然 后 代 入 公 式 （ ） 即 １
可求 出两 断面 的水 位差 △ ；断 面 ① 的水 位加 Ａ Ｈ 应 等 于断 面② 的水 位 ，此求 得 的水位 应与所 假设 的
小水电 ２１年第 ３ （ ０１ 期 总第 １９ ５期）
技术 交流
天 然 河 道 水 面 线 数 学模 型 研 究
秦 月红 牛 立军 （ 华北 水利 水 电学 院 河 南郑 州 ４０ １） ５ ０ １
【 摘
要】以传统的经验方法为基础 ，借助微 分原理 ，引用 了二维糙率这一概念 ，用水流的微 运动来逼近 实际问题 ，进
表达式 ：
２ 传 统 方 法 存 在 的 问题
２ １ 槽 、 滩边界 难 以区分 ．
区分 天然河 道 的槽 、滩边 界 ，要 先 画出河 道 的
横 断面 ，在 图纸 上逐 个 区分 ，对于许 多 天然河 道来
说 ，这项 工作 是相 当 困难 的 。
２２ 水 力 半 径 呈 现 不 实 际 的 变化 ．
给定 和修 改 ，可 以迅速试 算 和修 改方 案 ，这是 实 体
模 型所 不 能及 的 。
Ｑ＝ × Ｒ Ｓ Ａ ｛× × ｂ
为变速 流 时 ，其 流 量为 ：
（ ２ ）
式 中 ，Ａ 为 断 面 积 ；Ｓ 为 河 底 比降 。 当 水 流
１ 传统推算水 面线 的方法
１ １ 推 算水 面线 的基本 方程 ．
（） １
：断 面
工程 来说 无疑 将带 来不 正 确 的设 计 依据 。电子计 算 机和计 算 技术 的发 展 ，为经 典 的数值 计算 方 法注 入 了强大 的 活 力 ，使 得 数 学模 拟 水 运 动 规 律 成 为 可
推算水面曲线
0.003093 0.002911 0.002744 0.002592 0.002451 0.002322 0.002203
2 Q 2 A p 1
2
2 2 Q n 2 4 A R p 1 p
/ 3 1
渠道水面线的计算 非棱柱形渠道，输入假设分段长度后，按“水深计算”按钮即可） 流量 不均匀系数 糙率 底坡 断面比能 比能损失 ES △ES Q α n i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 0.001 0.014 1.329347 1.349295 -0.01995 1.369245 -0.01995 1.389199 -0.01995 1.409156 -0.01996 1.429115 -0.01996 1.449076 -0.01996 1.469039 -0.01996 1.489005 -0.01997 1.508387 -0.01938
渠道水面线的计算 （假设水深，推求分段长度，适用于棱 断面面积 流量 A Q 1.610793606 1.650774935 1.690724234 4.4 4.4 4.4
2 0.97 3 1.65
1.06
1.65 4 2.40 5 3.23 6 4.13 7 5.13 8 6.24 9 7.47 10 1.20 31.57 1 1.968113373 4.4 1.18 24.10 1 1.928842714 4.4 1.16 17.86 1 1.889425648 4.4 1.14 12.73 1 1.849878898 4.4 1.12 8.60 1 1.810219023 4.4 1.10 5.38 1 1.770462438 4.4 1.08 2.97 1 1.730625442 4.4
天然河道水面线计算的几点体会
□郑星收稿日期:2021-03-30作者简介：郑星，男，汉族，唐山市市区河道监管中心，高级工程师。
摘要介绍不规则河道整治过程中，所采用天然河道水面线计算方法的计算路径与注意事项，供河道过水断面极不规则、河床不断发生冲淤变化、沿程水力参数变化较大河道整治设计参考借鉴。
关键词天然河道；恒定非均匀流；水面线在天然河道整治工程设计中，河道水面线的计算是关键的一步，推求水面线的计算方法也很多，例如水深沿程变化的微分方程法、断面比能沿程变化的微分方程法、水位沿程变化的微分方程法以及天然河道水面线计算系统等。
这些方法基本理论依据都是明渠恒定非均匀流渐变流一维平移流动能量平衡的微分方程，在公式的推导过程中均有按其边界条件做了近似或技术处理，均有其边界条的局限性。
很多的水利工作者已经证明，对人工河道或水力参数变化不大相对规则的天然河道，采用前4种推算天然河道水面线的计算方法均能满足河道整治工程的精度要求，但对于河道的过水断面极不规则、河床不断发生冲淤变化、沿程水力参数变化较大的情况，建议采用天然河道水面计算系统分析计算水面线，这种方法相对比较符合实际。
现就在实际工作过程中、采用天然河道水面线推求系统计算河道水面线谈几点体会。
1.明渠恒定渐变流微分方程在底坡为i 的明渠渐变流中，沿水流方向任取一微分流ds ，如图1所示。
断面1—1和断面2—2，列出能量方程Z +h +av 22g =（z +dz ）+（h +dh ）+a +(v +dv )22g+dh w上式展开，并略去dv 2高价小量，θ＜110，令θ≈1，Z +h 为水位高程，dz=-ids ，dh w 为水头损失，包括两部分，即dh v=dh r +dh j ，沿程水头损失dh f =v 2c 2Rds ，局部水头损失dh j =ξd （v 22g），整理后则有水位沿程变化的微分方程：上式写成差分方程形式式中-ΔZ=Zu+Zd整理后，方程中同一断面水流参数分别列为方程左右两端，则有可以看出，方程左端为上游水位函数，右端为下游水位函数，令上游水位函数为F 1(Zu)，下游水位函数为F 2(Zd)，则有F 1(Zu)=F 2(Zd)时的水位高程即为所求。
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天然河道水面线推算方法及基本参数的分析
天然河道水面线推算方法及基本参数的分析
天然河道水面线推算是河道防洪规划和整治建设工作的基础，是河道堤防工程设计的依据，水面线推算的合理性和科学性对水利工程的投资有直接的影响。
本文主要介绍天然河道水面线的计算方法及基本参数的选取原则，为今后相关工程水力计算作参考。
标签：天然河道；水面线推算；基本参数分析
1、天然河道水面线计算公式
天然河道因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般沿程均会发生变化，水流一般为非均匀流。
水面线计算主要理论依据是伯努利能量守恒方程，从下游向上游断面逐段推算水位，最终得出整个河段的水面线。
基本方程式如下：
2、天然河道水面线计算中参数的确定
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。
2.1河道糙率确定
河道糙率是反应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相互作用的产物。
所以影响河道糙率的因素有河槽方面也有水流方面，但两者相互作用，相互影响，无明显的划分界限。
河槽边壁及河床粗糙程度，滩地植被，河槽纵横形态、水位的高低变化等是主要因素。
天然河道水面线计算糙率的确定主要有两种方法：一是有实测资料时，可采用河段附近现状河道纵横断面资料反推综合糙率；二是无实测资料时可根据河道现状平面形态、河床组成、床面及滩地植被情况，参照《水力计算手册》和以往同类工程确定，偏重于安全考虑，在河道整治工作中糙率适当选小些，在防洪规划中适当大一些。
2.2起推断面与起推水位的确定
一是水流为缓流时起推断面一般选在推算河段下游，急流时选在上游；二是附近下游有水文站时以水文站为起推断面，依据实测水位资料分析不同标准洪水位，当缺乏高标准的水位流量关系时可适当将水位流量关系外延；三是附近下游有调查的历史洪水的水位流量关系时可以采用均匀法求调查断面近似的水位流量关系，从而确定起推断面水位流量关系；四是没有实测资料时，起推断面大多选定与有设计校核水位流量关系的跨河桥或其他有控制的断面，应由此修正起推断面的水位；五是当没有水文站或控制工程时，起推断面一般由河段末端向下游。