起推水位对河道水面线的影响分析及确定

起推水位对河道水面线的影响分析及确定
陈彪;陈长柏
【摘要】河道设计水位大多采用推算河道水面线来确定,且采用与设计流量同频率的年最高洪水位作为起始断面的起推水位,因其偏差较大,本文按照起推水位的计算基础应与设计流量计算基础一致的原则,根据起推断面不同的水位～流量关系形式,提出了不同的起推水位计算方法
【期刊名称】《治淮》
【年(卷),期】2009(000)001
【总页数】2页(P21-22)
【关键词】水面线;防洪规划;起推水位
【作者】陈彪;陈长柏
【作者单位】中水淮河规划设计研究有限公司,蚌埠,233001;中水淮河规划设计研究有限公司,蚌埠,233001
【正文语种】中文
【中图分类】工业技术
∥嗡安徽省k全夕水利部淮委水利科学研究院协办 l 『科技论坛】 I起推水位对河道水面线的影响分析及确定陈彪陈长柏（中水淮河规划设计研究有限公司蚌埠 233001 ）【摘要】河道设计水位大多采用推算河道水面线来确定，且采用与设计流量同频率的年最高洪水位作为起始断面的起推水位，因其偏差较大，本文按照起推水位的计算基础应与设计流量计算基础一致的原则，根
据起推断面不同的水位—流量关系形式，提出了不同的起推水位计算方法
【关键词】水面线防洪规划起推水位 1 问题的提出在江河流域防洪规划中，推算河道水面线是确定河道各断面设计水位的常规方法之一。

而水面线推算时，必须首先确定起始断面的起推水位。

现行起推水位的确定，多数是简单地采用与设计洪水（或设计流量）同频率的河口水位，如某支流河道的防洪标准为 20 年一遇，则该支流河道起推水位采用河口处 20 年一遇水位，这种方法确定的起推水
位多数情况下偏高，据此推算的河道下游各断面设计水位也会偏高。

当起推断面的水位与流量为稳定的单一关系时，由于流量与水位是一一对应关系，故支流
河道起推水位采用与洪水同频率的河口水位是合适的。

但更多的情况是，河口
处往往受干流洪水、湖泊、沿海潮水等的顶托影响，或受河道断面的冲淤影响，水位流量关系既非稳定、也不单一，而计算河口设计水位采用的是历年最高水位系列，这时采用与洪水同频率的河口水位作为支流河道起推水位就会偏高，堤
防等水工建筑物安全是有保证，但投资却大大地超出合理范围。

因此，合理确定起推水位是计算河道各断面设计水位的基础，是确定河道治理工程规模的前提。

2起推水位对沿河设计水位的影响起推水位有偏差并不是对河道所有断面均会产生影响，其影响范围主要是河道下游。

由水力学可知，分析河道水位沿流程变化的微分方程式为： dz ，一 (1)萨a+e，熹‘ 专 + 芸方程式左边 dz/ds 表示水位
沿流程的变化；方程式右边第一项表示微分流段内流速水头的增量及局部水头损失；方程式右边第二项表示微分流段内沿程水头损失，其中 Q 表示流量，K 表示流量模数。

在推算河道水面线时，考虑到流速水头增量及局部水头损失较之沿程水头损失小得多，往往忽略不计。

同时把微分方程式改写成差分方程式，即认
为在有限长的计算河段内，一切可变水流要素均成线性变化。

方程(1)式可写作
Az= AsQ2/K2(2)流量模数 K 采用上游断面流量模数 K 。

与下游断面流量模数
Kd的平均值，即 1/K2-(1/K 。

2+1/Kaz)/2 ，代入(2)式后得到
△z=L\s(Q7K.2+Qz/Kcf)/2 (3)上式表明：若河道下游起推水位增加一个壅高△z ，那么其影响范围即壅水曲线全长△s=2 △Z/(Q2/Ku2+Q2/K d2) 。

一般来说，壅水曲线可近似地视为二次抛物线，且下游断面附近的河道比降 Q2/K。

2 — 0 ，令 Q-7Kd2=i ，因而(3)式可变成如下形式As=2Az/i(4)根据(4)式可知，若起推水位有偏差△z ，其影响范围即壅水曲线全长与河道水面比降成反比。

由于平原区河道水面比降平缓，而山丘区河道水面比降较陡，因此起推水位对沿河设计水位的影响，平原河道要远远大于山区河道；对同一河流，河道比降下游往往
较之上游平缓，因而受起推水位的影响下游较之上游大。

起推水位有偏差，并
不是对河道所有断面均会产生影响，其影响范围大体上在2 △胡河长之内。

3起
推水位计算方法分析在实际工作中，计算起推水位的方法主要是通过统计起推断面历年最高洪水位，采用与设计流量同频率的水位作为设计起推水位（以下简称最高水位法），或采用多年平均水位法等。

由于这些方法求得的起推水位与河
道设计流量的对应关系不够密切，因而计算误差较大，且不同方法所得结果相差也较大。

为此，考虑到起推水位的计算基础应与设计流量计算基础一致的原则，针对起推断面不同的水位一流量关系，确定起推水位计算方法。

3.1水位流量相关法 ZHIHUAI 2009,1徽省 k l『科技论坛】 I陈彪陈长柏（摘要】河道设计水
位大多采用推算河道水面线来确定，且采用与设计流量同频率的年最高洪水位
作为起始断面的起推 1问题的提出在江河流域防洪规划中，推算河道水面线是确定河道先确定起始断面的起推水位。

现行起推水位的确定，多数是简单地采用与
设计洪水（或设计流量）同频率的河口水位，如某支流河道的防洪标准为 20 年一遇，则该支流河道起推水位采用河口处 20 年一遇水位，这种方法确定的起
推水位多数情况下偏高，据此推算的河道下游各断面设计水位也会偏高。

当起推
断面的水位与流量为稳定的单一关系时，由于流量与水位是一一对应关系，故支流河道起推水位采用与洪水同频率的河口水位是合适的。

但更多的情况是，河口
处往往受干流洪水、湖泊、沿海潮水等的顶托影响，或受河道断面的冲淤影响，水位流量关系既非稳定、也不单一，算河口设计水位采用的是历年最高水位系列，这时采用与洪水同频率的河口水位作为支流河道起推水位就会偏高，堤防等水工建筑物安全是有保证，但投资却大大地超出合理范围。

因此，合理确定起推水位是计算河道各断面设计水位的基础，是确定河道治理工程规模的前提。

起推水位
有偏差并不是对河道所有断面均会产生影响，其影响范围主要是河道下游。

由水
力学可知，分析河道水位沿流程变化的微分方程式为： dz，熹‘专+芸方程式左
边 dz/ds 表示水位沿流程的变化；方程式右边第一项表示微分流段内流速水头的增量及局部水头损失；方程式右边第二项表示微分流段内沿程水头损失，其中 Q 表示流量，K 表示流量模数。

在推算河道水面线时，考虑到流速水头增量及局部水头损失较之沿程水头损失小得多，往往忽略不计。

同时把微分方程式改写成差分方程式，即认为在有限长的计算河段内，一切可变水流要素均成线性变化。

方程(1)式可写作 Az= As Q2/K2 (2)的平均值，即 1/K2-(1/K 。

2+1/Kaz)/2 ，代入(2)式后得到△z= L\s(Q7K.2+Qz/Kcf)/2上式表明：若河道下游起推水位增加一个壅高△z ，那么其影响范围即壅水曲线全长△s=2 △Z/(Q2/Ku2+Q2/K d2) 。

一般来说，壅水曲线可近似地视为二次抛物线，且下游断面附近的河道比降 Q2/K。

2—0，令Q-7Kd2=i ，因而(3)式可变成如下形式 =2Az/i (4)根据(4)式可知，若
起推水位有偏差△z ，其影响范围即壅水曲线全长与河道水面比降成反比。

由于平原区河道水面比降平缓，而山丘区河道水面比降较陡，因此起推水位对沿河
设计水位的影响，平原河道要远远大于山区河道；对同一河流，河道比降下
游往往较之上游平缓，因而受起推水位的影响下游较之上游大。

起推水位有偏差，并不是对河道所有断面均会产生影响，其影响范围大体上在2 △胡河长之内。

在实际工作中，计算起推水位的方法主要是通过统计起推断面历年最高洪水位，采用与设计流量同频率的水位作为设计起推水位（以下简称最高水位法），或采用多
年平均水位法等。

由于这些方法求得的起推水位与河道设计流量的对应关系不够
密切，因而计算误差较大，且不同方法所得结果相差也较大。

为此，考虑到起推水位的计算基础应与设计流量计算基础一致的原则，针对起推断面不同的水位
驻科技论坛 ll表 1 润河集流量、正阳关水位系列表表 2 润河集流量、正阳关起推
水位设计成果表┏ ━ ━ ━━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┓ ┃ ┃ ┃与润河┃ ┃ ┃ ┃润河集┃集年最正阳关┃ ┃┃ ┃ ┃年最大大流量年最高卑份┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃流量相应的水位(1113/S)(m)(ITl3/S)水位(m)水位（ n日┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋
━ ━ ━ ━ ━╋ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃1951 2122 20.59 21.39 1971 4560 22.72 23.98┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃1952 2914 21.83 23.03 1972 2950 22.55 24.291953 1360 20.50
21.401973 337021.02 22.901954 8300 21.98 26.55 1974 2370 21.48
21.641955 2960 22.88 23.73 1975 5970 26.04 26.39 1956 7340 24.72
25.441976 1150 18.78 20.781957 1380 20.87 23.211977 357021.07 22.30 1958 1960 21.08 21.861978 1570 18.91 19.461959 1390 20.61 20.621979 2650 23.06 23.15 6610 23.82 24.981980 4580 23.39 24.411961 708 19.18 19.311981 1460 20.06 20.11 1962 2460 21.93 22.491982 732024.62
26.441963 4660 25.64 25.761983 8220 24.09 25.341964 355023.04 24.56 1984 4550 23.13 24.611965 3740 24.24 24.44 1985 1660 22.03 22.05 1966 688 18.3 18.56 1986 2840 22.911967 2360 20.79 21.02 1987 4730 22.21 24.081968 7780 23.97 26.501988 1700 20.26 20.321969 6720 25.851989 4650 23.46 23.76】1970 2800 21.19 22.01┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┛若起推断面的水
位和流量为稳定的单一关系，即该断面不同的设计流量与设计水位是一一对应的，
因此可以根据起推断面的设计流量，由水位，流量关系确定起推水位。

3.2与设计流量样本相应的水位系列同频率法在河道规划中，大多是从河口开始计算河道水面线，由于河口受干流洪水、湖泊、沿海潮水等的顶托影响，或受河道断面的冲淤影响，因此水位流量关系往往非常散乱，为此，考虑到起推水位的计算基础应与设计流量计算基础一致的原则，采用与设计流量样本相应的水位系列，按同频率确定起推断面水位（以下简称相应水位法），下面以实例说明计算方法。

临淮岗洪水的控制工程位于淮河干流中游正阳关水位站以上 28km 、润河集水文站以下 30km 处。

润河集水文站集水面积 40360km2 ，占临淮岗坝址以上流域集水面积的95.7% ，该站自 1951 年 5 月开始观测流量，有 40 多年的水位流
量资料，是推求坝址设计洪水及分期设计洪峰的主要依据站。

正阳关水位站自1950 年后有较完整的水位资料，是推求临淮岗坝下设计水位的主要依据站，确定正阳关水位站为起推断面。

┏ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┓ ┃项目均值 cv cs各频率设计值┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ 5% 10% 20。

┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃润河集流量(1113/S)3670 0.80 2.5C。

9550 7510 5470正阳关起推水位(m)，) ’ 2?O.ll 0.10 26.31 25.38 24.26阱目应水位法）┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋
━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃23.18 0.1127.45 26.48 25.31（最高
水位法）┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┛ k30.00pH 29.00X28.00*27.00{.Jj!26.00(n0
25.0024.0023.0022.002I.OO20.0019.0018.0017.00┏ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ┳ ━ ┳ ━ ┳ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┳ ━ ━ ━ ┳ ━ ┳ ━ ┳ ━ ┳ ━ ━ ━ ━ ┓ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃—-—一┃ ┣ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ┻ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ┫
┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃—辛一j┃ ┣ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ┻ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ L —一┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ┻ ━ ━ ╋ ━ ━ ┻ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ┻ ━ ┻ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ┳ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃ I }p—
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┃ }1┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣ ━ ━ ┳ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ┳ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ┳ ━ ┳ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ━ ╋ ━ ━ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ╋ ━ ━ ┫ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ┻ ━ ┻ ━ ┻ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ━ ┻ ━ ━ ━ ┻ ━ ┻ ━ ┻ ━ ┻ ━ ┻ ━ ━ ┛∞∞8000 1000Q润河集流量(r／ 5)图 1 正阳关水位一润河集流量相关图根据临淮岗工程施工设计要求，需计算临淮岗坝址设计洪峰流量及
相应的设计水位。

考虑到润河集水文站与临淮岗坝址的集水面积相差很小，年
最大洪峰流量由润河集站历年实测流量资料统计，洪峰流量系列见表 l。

按实测
连续系列进行频率计算，采用P Ⅲ型频率曲线适线，设计洪峰流量成果见表 2 。

采用两种方法计算正阳关起推水位：一是相应水位法，采用与设计流量样本相应的水位系列，即在历年正阳关实测水位资料中，选取与润河集站年最大洪峰流
量相对应的水位，组成正阳关站水位系列，然后采用与设计流量同频率的水位作为设计起推水位；二是最高水位法，选取正阳关年最高水位组成水位系列，同样也是采用与设计流量同频率的水位作为设计起推水位。

水位系列见表 1。

按实测连续系列进行频率计算，采用P Ⅲ型频率曲线适线，正阳关起推水位统计参
数及设计成果见表 2 。

从表 2 可以看出，最高水位法计算的起推水位比相应水位法计算的起推水位偏大许多。

经点绘正阳关水位 ~ 润河集流量相关图（见图 1 ）进行比较，最高水位法计算的起推水位明显偏高，其点据已接近外包线（上限线）；而相应水位法计算的起推水位点据在平均线附近，说明计算合理。

4结
语从以上对起推水位计算方法的讨论结果看，首先起推水位对沿河设计水位的影响，平原河道要远远大于山区河道，而其影响在经过一定的河长后可以消失，
因此在做平原河道规划设计时，确定起推水位的精度要求较高。

其次，由于采
用相应水位法确定的起推水位，其计算基础与设计流量的计算基础是一致的，
因而比较合理■表1润河集流量、正阳关水位系列表润河集流量、正阳关起推水位设计成果表┏━┳┓水位（n日┣╋┫】1970┗┻┛若起推断面的水位和流量为稳定的单
一关系，即该断面不同的设计流量与设计水位是一一对应的，因此可以根据起推断面的设计流量，由水位，流量关系确定起推水位。

3.2与设计流量样本相应的水位系列同频率法在河道规划中，大多是从河口开始计算河道水面线，由于河口受干流洪水、湖泊、沿海潮水等的顶托影响，或受河道断面的冲淤影响，因此
水位流量关系往往非常散乱，为此，考虑到起推水位的计算基础应与设计流量计
算基础一致的原则，采用与设计流量样本相应的水位系列，按同频率确定起推断面水位（以下简称相应水位法），下面以实例说明计算方法。

临淮岗洪水的控制工程位于淮河干流中游正阳关水位站以上 28km 、润河集水文站以下 30km 处。

润河集水文站集水面积40360km2 ，占临淮岗坝址以上流域集水面积的95.7% ，该站自 1951 年 5 月开始观测流量，有 40 多年的水位流量资料，是推求坝址设计洪水及分期设计洪峰的主要依据站。

正阳关水位站自 1950 年后有较完整的水
位资料，是推求临淮岗坝下设计水位的主要依据站，确定正阳关水位站为起推断面。

项目)’2?阱应水位法）最高水位法） 30.00 pH 29.00 X 28.00 * 27.00 {.Jj! 26.00 (n0 25.00 24. 00 23.00 22. 2I.OO 20. 19. 18. 17.—一．／r—0虹L斗腓：It矗采证洼雠承位点嚣O相应水位洼臻来位点曩图正阳关水位一润河集流量相关图根据临淮岗工程施工设计要求，需计算临淮岗坝址设计洪峰流量及相应的设计水位。

考虑到润河集水文站与临淮岗坝址的集水面积相差很小，年最大洪峰流量由润河集站历年实测流量资料统计，洪峰流量系列见表 l。

按实测连续系列进行频率计算，采用P Ⅲ型频率曲线适线，设计洪峰流量成果见表 2 。

采用两种方法计算正阳关起推水位：一是相应水位法，采用与设计流量样本相应的水位系列，
即在历年正阳关实测水位资料中，选取与润河集站年最大洪峰流量相对应的水位，组成正阳关站水位系列，然后采用与设计流量同频率的水位作为设计起推水位；二是最高水位法，选取正阳关年最高水位组成水位系列，同样也是采用与设计流量同频率的水位作为设计起推水位。

水位系列见表 1。

按实测连续系列进行频率
计算，采用P Ⅲ型频率曲线适线，正阳关起推水位统计参数及设计成果见表 2 。

从表 2 可以看出，最高水位法计算的起推水位比相应水位法计算的起推水位偏大
许多。

经点绘正阳关水位 ~ 润河集流量相关图（见图 1 ）进行比较，最高水位法计算的起推水位明显偏高，其点据已接近外包线（上限线）；而相应水位法
计算的起推水位点据在平均线附近，说明计算合理。

4从以上对起推水位计算方
法的讨论结果看，首先起推水位对沿河设计水位的影响，平原河道要远远大于山区河道，而其影响在经过一定的河长后可以消失，因此在做平原河道规划设计时，确定起推水位的精度要求较高。

其次，由于采用相应水位法确定的起推水位，
其计算基础与设计流量的计算基础是一致的，因而比较合理■
【文献来源】https:///academic-journal-
cn_governing_thesis/0201216450925.html
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