天然河道水面曲线计算问题
天然河道水面线计算的改进方法
天然河道水面线计算的一种改进方法发表日期：2008-03-14作者：文峰竹来源：水工网评论1条本文章系网络收集转载，不代表本站观点，如果有谬误或者任何侵犯权益的地方，请联系QQ 31184摘要：天然河道水面线的推算是水力学的经典问题，对于河道防洪、水库淹没有极其重要的意义。
在大量采用电算后，程序算法选取的欠妥时会导致计算成果与实际情况不相符合。
本文就天然水面线计算的基本公式出发，对常用的自下而上推算天然河道水面线的电算程序算法选择进行探讨，提出一种可行的预报—校正计算公式。
1、问题的由来天然河道水面线的推算是水力学的经典问题，对于河道防洪、水库淹没有极其重要的意义。
自上个世纪末以来，由于计算机的大量普及，天然河道水面线逐步由人工手算演变成程序电算，极大地提高了设计效率，把设计人员从繁琐、枯燥的数字计算中解放出来。
但在计算程序算法选取欠妥也会出现一些问题，造成计算成果与实际情况产生了较大的出入，尤其是在坡降较陡的山区河道，有些程序（例如原ＰＣ1500程序集中的水面线计算程序）计算的水面线非常低，与实际情况相去甚远。
本文就天然水面线计算的基本公式出发，对常用的自下而上推算天然河道水面线的电算程序算法选择进行探讨，提出一种可行的电算方法。
２、天然河道水面线基本方程的分析天然河道水面线计算在水利工程中均采用能量法，基本方程为：z1 +=z2 +++ （）…………①式中：Z1—上游断面的水位；Z2—下游断面的水位；v1—上游断面的流速；v2—下游断面的流速；α1—上游断面的动能校正系数；α2—下游断面的动能校正系数；—河道平均局部阻力系数；Δs—河段的长度；—河道平均流量；K—流量模数；将①式写成：z1 ++ -=z2 ++ …………②式中，对于从下游向上游推算情况，式右边项均为已知项，为定值。
令：f（z1）= z1 +（）-…………③其中：=（K+ K）=（R+ R）对③式，当z1→z0（河床高程），、R→0，→R（定值），→定值，（）→+∞，故f（z1）→+∞，即z1→z0为③式的一条渐近线；当z1→+∞，、R→+∞，→+∞，→0，（）→0，即f（z1）= z1为③式的一条渐近线。
天然河道水面线计算的几种方法探讨
天然河道水面线计算的几种方法探讨摘要：介绍了明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统、HEC-RAS软件及SOBEK软件4种常用的水面线推算方法，并对不同河道进行了水面线推算，然后对计算结果进行了对比分析。
结果表明：对于坡度较小且沿程顺直、断面规整的河道，若下游起始水位对上游河道水位影响较小，则可用明渠恒定均匀流法进行水面线推算；若下游起始水位对上游河道水位影响较大，则可采用天然河道水面线系统进行水面线推算；对于断面不规整的缓流河道，水位推算结果大体呈天然河道水面线系统、HEC-RAS软件、SOBEK软件的趋势；对于急流河道，HEC-RAS软件推算的水位比SOBEK软件推算的水位偏高。
关键词：明渠恒定均匀流法；天然河道水面线系统；HEC-RAS软件；SOBEK 软件；水面线推算Abstract: nullah constant uniform flow method, four kinds of water lines in the natural channel surface line system, HEC-RAS software and SOBEK software projection methods, and different river water surface line projections, then the calculation results of the comparative analysis. The results show that: if the downstream starting water level on the upstream river water level downstream starting water level For a slope smaller and straight along regular cross-section of the river, upstream water level of rivers, the available the nullah constant uniform flow method, the water line projections; greater impact, you can use the natural channel surface line system for the water line projections; sectional irregular slow flow of the river, the water level projection results in a substantially natural channel surface line> HEC-RAS software> SOBEK software trend; rapids river HEC-RAS software projected water level than SOBEK software projected high water level.Keywords: nullah constant uniform flow method; natural channel surface line system; HEC-RAS software; SOBEK software; surface line projections前言水面线推算是河道整治的基础工作，其推算结果直接影响到河道断面的规划设计，进而影响到河道整治的工程量和工程造价。
天然河道水面线计算及合理性分析
天然河道水面线计算及合理性分析【摘要】天然河道水面线计算问题一直是水利工程中一个十分重要的问题。
科学合理的分析计算水面线是对水面线推求的基本要求。
笔者在本文中结合对某条河流的水面线推求，对加强水面线计算的合理性进行讨论，对几种常用的水面线计算方法和计算软件进行说明。
【关键字】天然河道、水面线计算、合理性分析一、前言我国现阶段在水面线的推求和计算过程中，经常用到的方法有明渠恒定均匀流法、天然河道水面线系统等，常用的软件有MIKE 11和HEC-RAS，这些方法和软件都有自己的使用范围和特点，下面请和笔者共同来一探究竟。
二、天然河道水面线计算常用方法明渠恒定非均匀流是一种流速沿程变化的流动，伴随着流速变化，水位或水深，过水断面面积等水力要素也将沿程变化。
许多明渠非均匀流问题都可归纳为探求水位或水深的沿程变化规律，即求出函数z=z(s)或者h=h(s)的具体形式，其中s为流程坐标。
这里所讲的明渠恒定非均匀流水深或者水位的沿程变化规律包括两方面的含义：一是水面曲线的定性分析，即探求水面曲线大致是什么形状的曲线，二是水面曲线的定量计算，即需要知道沿程的水深或水位。
为解决这两个问题，首先必须建立描述水深或水位沿程变化规律的微分方程。
1、明渠恒定非均匀流法明渠恒定非均匀流法是最基本的水面线算法，在断面规整的明渠中经常采用。
其基本公式如下形式：式中：Z1、Z2——上游断面和下游断面的水位高程、——上游断面和下游断面的流速水头——动能修正系数；——断面平均流速；、——此河段水流的沿程水头损失和局部水头损失。
2、天然河道水面线系统天然河道过水断面一般极不规则，糙率及纵坡沿程都有变化，明渠恒定均匀流法已不适用。
天然河道水面线系统能较好地解决这一问题，在平原河道整治中运用较为广泛。
该系统的优点是可直接读取断面资料，通过图形窗口划分断面滩槽，利于人机交互，从而提高水面线推算的工作效率。
缺点是只能用于缓流河道，不能直接推算桥、坝等建筑物处的水位。
天然河道水面曲线计算问题说课材料
Wh g V Z g V Z ++=+22211222αα推求法计算天然河道水面曲线的局限性 和解决办法---暴雨洪水的水力学模型及其应用程序张校正（新疆水利厅 新疆乌鲁木齐 830000）【摘 要】 天然河道水面曲线计算的‘推求法’使用中是有很多限制的，很多情况下不便应用，应该与‘比降法’配合使用，解决天然河道水面曲线计算问题。
【关键词】 天然河道 水面曲线 推求法 比降法 水力学模型 应用程序2012年，暴雨洪水给我国很多地方造成了生命财产的重大损失，引起了防洪部门的重视，纷纷加大了防洪工程的投入。
因而防洪工程的水力学计算，尤显重要。
怎样计算天然河道的水面曲线？应该不是问题，但一些设计单位确实出现过这个问题，问题是从使用推求法计算天然河道水面曲线时产生的。
在我国的有关防洪工程的规范中，大量的篇幅，是有关工程措施的规定，水力学计算部分内容很少，没有具体的公式。
虽然规范没有详细的公式，但是在旧版的《水工设计手册》以及水力学教科书中，却有‘天然河道水面曲线’的详细论述和方法讲解。
大家都是按照这些常规算法，解决天然河道水面曲线计算问题。
新版的《水工设计手册》也有‘天然河道水面曲线的计算’的章节。
武汉大学水利水电学院出版的《水力计算手册》中也有“河道恒定流水面曲线计算”章节。
对于天然河道的各种水力要素的计算，有着详尽的规定。
上面所说的这些书中的方法是暴雨洪水的一种水力学模型，是一种一维静态的水力学模型，它就是所谓‘推求法’，是从已知水位推求未知水位的计算方法。
本文从这个方法的使用过程中产生的问题，就暴雨洪水的一维静态的其它的水力学模型进行一些研讨。
《水利水电工程设计计算程序集》为天然河道的水力计算提供了两个程序，一个是“D-14A 推求法计算天然河道水面曲线程序”；一个是“D-14B 比降法计算天然河道水面曲线程序”。
一、D-14A 推求法计算天然河道水面曲线程序的使用情况这个程序的方法，是求解下面的基本方程（过去叫做柏努立方程）：这是一个在河道上解决非均匀流从已知水位推求未知水位的公式。
江河水面线计算的问题探讨
311 初试值。初试值计算断面的第一试算 水位, 可以采用计算断面与下断面的河底 高差的绝对值代替, 这样即可以减少试算 次数, 又可避免试算水位低于河底的情况 发生。
312 变权重迭代。变权重叠代数值逼近法 是水面线电算程序中常用的递推方法, 它 可以有效的解决计算中经常遇到的漏点, 不收敛或死循环问题, 可提高程序的运行 速度。 该法已有专门的论述, 可参阅《天然 河道水面线电算中数值逼近漏点问题的探
大断面滩地较大, 主槽与滩地的糙率系数 相关较大; 大洪水漫滩后的洪水流向较顺 直而主槽水流则比较弯曲, 此外, 测量断面 与水流方向互不垂直, 为消除这些因素的 影响, 计算中采取以下措施加以改正:
α 收稿日期: 1998—12—21 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
从上表可以看出, 当平均水深大于 118m 后, 糙率不再变化可取为定值。不同 的河段根据植被情况选取一组糙率曲线,
各断面按计算水位的平均水深内插糙率, 分别计算主槽和滩地的流量模数, 相加之 后做为全断面的流量模数。 按此计算的流
量模数主要存在以下两个问题: 21211 上述计算虽然考虑了糙率的沿程 变化, 但没有解决糙率沿横断面随水深的 变化情况, 横断面上流速的分布是水面大, 河底小, 中泓大, 岸边小。因此, 按平均水深 内插糙率求得的流量模数只是断面平均
松干水面线糙率曲线表
水深 (m ) 0. 2 0. 6 1. 0 1. 2 1. 4 1. 6 1. 8
糙率 (一) 0. 2 0. 083 0. 065 0. 063 0. 061 0. 06 0. 06 糙率 (二) 0. 4 0. 21 0. 102 0. 09 0. 085 0. 081 0. 079
工程设计中天然河道水面线计算
工程设计中天然河道水面线计算水文勘测吴树煌,华智敏,王文彬(内蒙古水利水电勘测设计院,内蒙古呼和浩特010020)摘!要!天然河道水面线计算的方法及建议。
关键词!水面线;计算;建议!!天然河道水面线的计算多采用不计局部水头损失的能量方程(差分形式)逐段推算,计算中常遇的问题是初始计算断面的选择及其水深的确定。
当河段内或距离不远处设有水文测站时,当然应以其实测断面为初始计算断面,可从实测水位流量关系确定其计算水深。
但中小河流的许多河段没有测站或测站距离较远,这种情况下,经多年实践,我院采取的计算方法是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,由下游往上游逐段计算河道水面线。
并在多次计算过程中认识到,即使初始计算断面水深有一定误差,推算若干段后,均可趋近正确。
对于上述认识,在此做简单的论证,提出其运用条件并对如何使各种水面线计算更为准确提出一些建议。
avn+1)2g具有下标n和n+1分别表示各计算分段下游断面和上游断面的水力要素。
!if单位长度的摩阻损失。
v近似按均匀流计算if=2!!!(2)cR22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-I表示初始计算断面1-1,假设水深h11<h01时计算的水面线;%-%表示初始计算断面1-1假设水深h%1>h01时计算的水面线;01、02&&0n+1表示正确水面线1-1、2-2、&&n+1-n+1等断面水力要素的下标。
1、%2&&n+1和%1、%2&&%n+1分别表示初始断面假设水深小于和大于正确水深时计算水面线在1-1、21!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、非均匀缓变流的能量方程,其差分形式如公式(1)。
#E!!!(1)i-if=#L式中!i计算分段纵坡;#L计算分段长度(m);#E计算分段上、下游断面的断面单能量差;#ES=En-En+1avn=(hn+)-(hn+1+2g141.1!从下游往上游逐段推算!!!!!!!内蒙古水利!!!!!!!!2022年第3期(总第115期)对0-0水面线ES02=ES01-(i-if0)#L!!(4)由式(8)减式(4)得:#ES%02=ES%2-ES02=(ES%1-ES01)+(if%-if0)#L!!!(9)根据式(2),由于h%1>ho1、h%2>ho2,因而if%<if0,即(if%-if0)#L<0(为负值),故由式(9)得#ES%02<#ES%01。
百图天然河道水面线推算知识讲解
第一章天然河道水面线推算百图软件既可以处理一个糙率的单式断面天然河道，又可以处理二个或任意多个糙率的复式断面天然河道，也可以处理河道某处出现江心洲或分叉情况，还可以处理整条河道上，支流汇入或流出、过桥水头跌差等情况。
缓坡河道应从下游向上游推算，根据经验及《水力学》教材的介绍，当最下游断面的起始水位无法确定时，可用该断面附近的正常水深对应的水位作为起始水位。
陡坡河道应从上游向下游推算，根据经验，当最上游断面的起始水位无法确定时，可用该断面的临界水深或略小于临界水深对应的水位作为起始水位。
实际工程中，一条长距离的河道可能是缓、陡坡交替变化的情况，此时应先画出河底的纵断面图。
根据纵断面图，当人工能够分辨出缓、陡坡的分界点，可人工划分成单一的缓坡或陡坡分别进行推算。
当人工不能够分辨出缓、陡坡的分界点时，可假定该整条河道为缓坡，选择整条河道从下游向上游推算，若软件一直能进行推算，说明该段为缓坡；若软件不能进行推算，说明该段为陡坡。
软件运行终止的断面，即为缓、陡坡的分界点，按此方法判断出整条河道上的所有缓、陡坡的分界点，把整条河道划分成单一的缓坡或陡坡分别进行推算。
第一节 一个糙率天然河道水面线推算一、现状天然河道水面线推算根据下式，即华东水利学院编《水力学》（1999年版）式9.9，采用分段试算法，精确推算水位。
第一步、准备现状横断面数据文件数据文件为txt 格式，在excel 中整理数据时必须另存为文本文件（制表符分隔）类型的txt 文件。
原始横断面测量成果表的内容格式如下：横断测量成果表中，桩号允许带“+”或“-”，但不允许有其它非数字文本，程序通过加减号来识别桩号。
起点距即是累距，零点桩的起点距为0。
每个点的数据占一行，包括“起点距”、“高程”和“点注释”三项，中间用空⎪⎪ ⎭⎫⎝ ⎛ - + ∆ ++= + g v g v K lQ gv z gv z2 2 2 2 2 1 2 222 222211ξ α α格隔开，空格多少不受限制，其中“点注释”可以省略。
工程设计中天然河道水面线计算
式中 Eso1 - EsI1 —0 - 0与 I - I水面线在断面 1 - 1的 断面单位能 量差 △Es0 I1 , 即 上式 可 写为 △Es0 I2 = △Es0 I1 + ( if0 - ifI ) △L (6)
△Es—计算分段上 、下游断面的断面单能量差 ;
△ES = Esn
-
Esn + 1
= ( hn
+ avn 2 ) 2g
-
( hn + 1
+
avn + 1 2 ) 2g
具有下标 n和 n + 1分别表示各计算分段下游断
面和上游断面的水力要素 。
if —单位长度的摩阻损失 。
近似按均匀流计算
if
=
v2 c2 R
3 对工程中常遇的水面线计算的建议
3. 1 确定水库或枢纽工程淹没范围时河道天然水面 线的计算
此类计算是为了确定天然水面线与回水曲线在库 尾的相交点 ,只要求从库尾前往上游的水面线正确即 可 。当河道为缓流流态时 ,可以选择坝址处断面为初 始计算断面 ,其水深可采用按均匀流计算的近似值 ,亦 可假设一个大于 hk 的水深值 ,然后逐段往上游推求 , 可在库尾前往上游得到正确的水面线 ,可不必再去校
14
内 蒙 古 水 利 2008年第 3期 (总第 115期 )
1. 1 从下游往上游逐段推算 ( 1)初始计算断面假设水深 hI1 < ho1情况 为便于论证 , 1 - 1 至 2 - 2 断面计算分段的基本
计算式 (1)移项为 Es2 = Es1 - ( i - if ) △L ( 3) 对 0 - 0水面线 Es02 = Es01 - ( i - if0 ) △L ( 4) 对 I - I水面线 EsI2 = EsI1 - ( i - ifI ) △L ( 5) 因此 , 0 - 0与 I - I水面线在断面 2 - 2的断面单
水面线计算推求
5.5.3设计洪水水面线推算根据防洪设计标准及洪水分析，设计流量采用P=10%设计洪峰流量确定整治河道的治导岸线。
根据沿程比降、流量、建筑物及支流汇入情况，水面线分段进行推算。
（1）水面线推算的基本公式水面线计算按明渠恒定非均匀渐变流能量方程，在相邻断面之间建立方程，采用逐段试算法从下游往上游进行推算。
具体如下：Z] = Z +式中：Z]、V]——上游断面的水位和平均流速;Z2、V2 ——下游断面的水位和平均流速;"广七+h——上、下游断面之间的能量损失;七=三l——上、下游断面之间的沿程水头损失;h =Z（匕2 - M）——上、下游断面之间的局部水头损失；j 2 g 2 gZ——局部水头损失系数，根据《水力计算手册》，由于断面逐渐扩大的Z取值0.333，桥渡处Z取值0.05〜0. 1。
c——谢才系数；R --- 水力半径；a ——动能修正系数。
（2）河道糙率河道的粗糙系数受到河床组成床面特性、平面形态及水流流态、植物、岸壁特性等影响，情况复杂，不易估计，本工程河道基本顺直，床面平整，经过整治的河床粗糙系数可以采用《水工设计手册》第一卷P1-404介绍的当量粗糙系数%xnn当=十；设总湿周X的各组成部分x1 ,x2,……x»及所对应的粗糙系数分别为n1，n2 n N。
选用砂土及淤泥渠道n=0.030；砌石护面n = 0.030；草皮n = 0.030。
本工程护坡基本为干砌块石及草皮，护底采用天然地层。
根据水位情况可以计算出不同水位下的综合糙率为0.030。
（3）水面线计算成果根据城市发展规划和河段所处的地理位置条件，确定河道横断面采用梯形断面型式。
护坡类型共有草土体结合柳桩护坡、干砌石结合格栅石笼护脚护坡两种，护坡边坡均为1:2。
结合上下游河床实际宽度和河道比降合理拟定断面底宽和纵向比降。
为了不改变现有河势和水沙冲淤平衡，河道设计底坡尽量与天然河道底坡一致。
表5-1治理段设计底宽及纵向比降分段统计表根据清水沟的地形条件，按照控制断面侯汉公路断面（桩号4+365）、尹桥大沟（7+219）、清二沟（14+848）、新华桥水文站（24+400）、新渠渡槽（24+400）处的设计流量，从下游往上游逐段推算水面线。
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作者：宗希宇范旭辉来源：《名城绘》2018年第06期摘要：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。
关键词：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延伸一段距离，距离的长短与河道纵坡有关，当起推断面的水位较难准确确定或不能确定起推断面是否受下游壅水影响时，应进行敏感性分析，即假定起推水位变化时，若河段末端水位没有明显变化，说明起推断面位置相对合适，否则向下游重新选取。
天然河道水面曲线的推求方法
工作探索2018年第01期1520%、40%、60%、80%和100%共5个点。
参考文献：[1] 秦海峰,刘永录,王磊.扭矩扳子校准结果的不确定评定方法[J].计测技术,2011,31(6):45-47.[2] 史文渤.扭矩扳子测量不确定度评定[J].计量与测试技术,2014, 41(6):88.随着近几年暴雨洪水灾难的产生，需要各个部门对其更为重视。
所以，对防洪工程进行计算十分必要。
基于推求方法得使用，是一种暴雨洪水水力学模型，在整体上为静态式，基于存在的水位推求未知水位计算方法，因此，要对其进行积极探讨。
1 推求方法的利用推求方法的使用，是对河道上的非均匀流进行分析，基于存在的水位推求，分析未知的水位。
当还没有计算机年代下，对其计算将面对较大困难，在整体上也更为困难。
后期，随着对计算机的使用，一些技术人员开始基于计算机编程工作，重点对其存在的问题进行解决。
但是，计算后获得的结果还不够合理。
经过人们在工作中对各个程序的检查和分析，得出一些合理方法。
当计算水库回水曲线的时候，能获得更为合理的结果。
但是，如果将其应用到山区河流中，或者应用到还没有产生大洪水河流地区、季节性干涸河流地区的时候，将产生各个问题。
针对实际应用效果发现，该方法的使用需要具备一些条件。
其表现在三个方面。
第一，对起始断面水深进行计算期间，要为其提供合理依据，不能随意设定。
第二，还需要保证断面之间的水流，分析其具备的性质。
第三，断面之间的距离也不能太长，保证能满足一定的计算要求。
如果这些条件无法满足，将无法保证计算效果，也不能对其有效应用。
起始断面水深，是基于河道的延伸，为断面水位。
但是，在河流中，特别是小河流中还未产生大洪水河流。
当处于季节性干涸河流的时候，也无法确定出已知水位。
在该情况下，将对其随意设定，无法满足水力学要求，也不能确保计算结果的准确性。
所以说，起始断面水深度存在一些问题。
因此，对水库回水曲线进行计算的时候，可以分析正常水位，利用推求方法保证计算结果更合理、更可靠。
天然河道水面线计算简析
天然河道水面线计算简析摘要：河道整治、堤防工程设计中需要计算河道洪水水位，推算河道水面线，本文对河道水面线计算方法和公式作简单总结和介绍，并对计算结果合理性的分析方法进行了描述。
关键词：天然河道；水面线；计算公式1、天然河道水面线计算方法概述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，采用以上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。
2、天然河道水面线计算常用方法2.1 明渠明渠均匀流公式是最基本、最简单的水面线计算公式，在工作中经常使用。
根据连续方程和公式，得到计算明渠均匀流的流量公式:式中 Q—流量，m3 / s; n—粗糙系数; A—面积，m2 ;Ｒ—水流半径，m;i—渠道比降。
明渠恒定均匀流公式必须具备以下条件:水流为恒定流、流量沿流程不变、渠道在足够范围内是顺直棱柱体槽、底坡是正坡、粗糙系数沿程不变、明渠段没有建筑物对水利的局部干扰。
实际明渠中大量存在的是非均匀流，但是因为其计算简单，对于较为顺直、整齐的河段常按均匀流公式作近似解。
2.2 棱柱体明渠、天然河道因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般均沿程改变，水流绝大多数是非均匀流。
明渠恒定非均匀流方程，分析水深沿流程变化的方程和水位沿流程变化的方程，水深沿流程变化的方程主要用于分析棱柱体明渠非均匀流水面线的变化规律，在天然河道中，常用水位的变化来反映非均匀流变化规律。
浅析天然河道水面线计算中的几个问题
浅析天然河道水面线计算中的几个问题浅析天然河道水面线计算中的几个问题________________________________________________________________________河流是地表水的重要组成部分，其研究和管理对于地表水资源的可持续发展具有重要意义。
其中，天然河道水面线计算可以帮助科学家们更好地理解河流的形态特征，为河流研究和管理提供重要信息。
本文旨在通过浅析天然河道水面线计算中的几个问题，以期帮助读者更好地理解天然河道水面线的计算过程。
一、关于水面线计算的基本原理1.1 水面线是什么水面线是指在某一特定时刻，由水流冲刷和侵蚀形成的河道的边界。
它是一个定义特定时刻河道形态的重要指标，可以用来反映河道形态的动态变化。
1.2 水面线计算的基本原理水面线计算是地理信息科学中一项重要的任务，其基本原理是通过测量或估算河流水位、河床变化和河流形态参数来估算水面线。
河流水位估算是水面线计算的基本步骤，通常包括测量河流水位、应用水位公式、利用水文站数据和应用诸如ArcGIS等GIS技术来估算河流水位。
估算完水位后，即可根据实际情况进行水面线计算，以得出具体的水面线。
二、关于水面线计算的几个具体问题2.1 水位估算的问题水位估算是水面线计算的关键步骤，但是它也存在一些问题，如因测量数据不准确而导致估算误差大、因数据来源不同而导致估算误差大、因数据来源不够充分而导致估算误差大以及因水文站分布不均匀而导致估算误差大。
2.2 水文参数的选取问题在进行水面线计算时，要正确选取合适的水文参数，以保证获得准确的水面线。
因此，选取合适的水文参数也是一个重要问题。
一般来说，要正确选取合适的水文参数，应考虑到河流形态特征、水文特征、地形特征以及与水文相关的物理地理特征。
2.3 数据处理问题在进行水面线计算时，还要处理大量的数据，如测量数据、遥感数据、DEM数据以及GIS数据。
这些数据处理也是一个重要问题，因为不正确的数据处理会对最后的水面线计算造成很大影响。
天然河道水面曲线计算问题
天然河道水面曲线计算问题新疆水利厅张校正在水力学教科书中，论述天然河道水面曲线计算的方法时，一般都是对河道相邻两断面列出伯努立方程，从已知断面水位，依次求解此方程，得出未知断面的水位，这些断面的水位的连线，就认为是河道的水面曲线。
《程序集》中的D-14A就是按照这个原理编制的。
一、D-14A的程序功能已知天然河道各横断面的地形点坐标及糙率，从起始断面水位开始，按照伯努里方程，逐段向上游或者向下游推算，求出各断面的水位。
计算结果输出地形点坐标，绘出河道横断面图，标出水位，打印流量、平均流速值。
1，河床的糙率可以随地形点的不同而变化。
2，局部阻力系数可随不同河段选用不同值。
3，程序采用二分法，优选试算，从而加快了收敛。
二、D-14A的计算原理1，水面曲线计算原理：Wh gV Z gV Z ++=+22211222αα如图示，根据伯努里方程：-------------(1)式中：Z 1、V 1 -- 断面1的水位和流速； Z 2、V 2 -- 断面2的水位和流速；h W = h y + h j -- 断面1到断面2之间的水头损失；h y = j ×ΔL -- 沿程水头损失； j = V 2/(C 2R) -- 沿程摩阻坡度；V C ，R -- 断面1和断面2的平均流速、平均流速系数、平均水力半径；ΔL -- 两断面间的距离； h j =-ξ(V 12/2g-V 22/2g)—局部水头损失；ξ -- 河段的局部阻力系数，在顺直河段及收缩河段ξ=0，()022222121=∆⨯+⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+-L j g V g V Z Z ξα()022222121=∆⨯+⎪⎪⎭⎫⎝⎛--+-=L j g V g V Z Z K ξα逐步扩散河段ξ=(0.3～0.5)， 急剧扩散河段ξ=(0.5～1.0)。
将(1)式移项：--------------(2)方程 (2) 中，Z 1，V 1，α，ξ，ΔL 均为已知，采用二分法试算求解Z 2。
分段求和法计算天然河道水面曲线
１ １ ６ ２ ０ ０ ）
要】 人们对水情 的观察 ， 主要是研究水位 的变化 ， 因此 天然河道 水面 曲线的计算便 成为 河道规 划设计 中的
重 要 环 节 。 本 文 以太 阳河 河段 为例 ， 采 用 分 段 求和 法 推 求 该 河 段 的水 面 曲 线 。 计 算 过 程 及 相 关 理 论 可 为 类 似 工 程 计算提供参考 。
为了正确反映河道 的实 际情况 ， 提高计算 精度 ， 对 天然河道分段应遵循 以下原则 ： ａ ．每个计算 流段 内， 过 水断 面形状 、 尺寸 、 粗 糙 系
数及底坡变化不要太大 。 ｂ ．在 一 个 计 算 流 段 内 ， 上游 、 下游 水 位 差不 要太
不得不采 用某 种平均值 作为计算依据 。人们 对水情 的 观察 ， 首 先关注 的是 水位 ， 因此研 究河 道水 面 曲线 时 ，
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｒ ｉ ｖ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｎ ｎ ｅ ｌ ；ｗａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｃ ｕ ｖ ｅ；ｓ ｒ ｕ ｂ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ；ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ
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河道水面线计算
4.6 洪水水面线4.6.1计算公式⑴计算原理天然河道的洪水大多属于不稳定流，水面线的计算可以近似地视为稳定流量以简化计算。
稳定非均匀流按伯努利能量方程进行计算，即：j f h h g V Z g V Z +++=+2221112222αα式中：Z 2、Z 1为计算段上、下游断面水位；V 2、V 1为计算段上、下游断面平均流速，2α、1α为计算段上、下游断面的动能修正系数；h f 为沿程水头损失；h j 为局部水头损失。
在流量、控制断面水位和河段糙率确定后，即可由该式算出河道断面的水力要素。
⑵主要参数的确定根据一维水面线的计算公式，其关键在于沿程水头损失和局部水头损失的确定。
①动能修正系数αα是以总流的断面平均流速V 代替过水断面上各点的点流速V i 来计算断面的平均单位动能，为校正误差而引入的修正系数，理论上可按下式计算：A V dA V i A 33⎰=α式中：V i 为断面单元流速（m/s ）；V 为断面平均流速（m/s ）；A 为过水面积。
α是个大于1.0的数值，其值取决于断面上流速分布不均匀的程度，流速分布越不均匀，α值越大。
②沿程水头损失水流在流动过程中，由于克服河床的阻滞作用，边壁的低流速层对高流速层产生的阻力而消耗的能量，就是沿程阻力损失损失h f ，主要决定于均匀流的坡降，可表示为：23/42222AR L Q n L K Q L J h f === 式中：L 为计算段上下游断面间距（m ），K 为流量模数，R CA K =，一般采用2221111K K K +=，K 1、K 2是上下两断面的流量模数；C 为谢才系数，y R n C 1=，n 为糙率，y 可取1/4～1/6。
由上式可知，欲求h f ，主要是确定糙率n 值，工程河段天然河道糙率根据河道形态，河床组成及两岸植被情况结合，采用历史洪水反推糙率，未进行历史洪水调查段结合《天然河道糙率表》选定。
③局部水头损失局部水头损失即为河道的河床断面沿程不均匀引起的水头损失。
分段求和法计算天然河道水面曲线
分段求和法计算天然河道水面曲线鞠福勇【摘要】人们对水情的观察,主要是研究水位的变化,因此天然河道水面曲线的计算便成为河道规划设计中的重要环节.本文以太阳河河段为例,采用分段求和法推求该河段的水面曲线.计算过程及相关理论可为类似工程计算提供参考.【期刊名称】《水利建设与管理》【年(卷),期】2017(037)005【总页数】4页(P28-31)【关键词】天然河道;水面曲线;分段求和法;水力要素【作者】鞠福勇【作者单位】大连市普兰店区河道管理处,辽宁大连 116200【正文语种】中文【中图分类】TV131天然河道的过水断面一般极为不规则，粗糙系数、底坡沿流程都有变化，可视为非棱柱形明渠。
在河道中修建桥梁、闸、坝等建筑物时，必然会遇到建筑物建成后所引起的有关水面曲线的一些问题，如：护岸设计高度、雍水淹没范围等。
在天然河道中，估算建筑物建成后新的水面曲线最大的困难在于天然河道中水力要素变化急剧，因而不得不采用某种平均值作为计算依据。
人们对水情的观察，首先关注的是水位，因此研究河道水面曲线时，主要研究水位的变化，这样天然河道水面曲线的设计便自成系统。
虽然它与人工渠道水面曲线的计算不同，但无本质区别。
天然河道水面曲线的计算方法很多，第一类是分段求和法，第二类是将不规则的天然河道人为地简化为具有平均底坡的棱柱形渠道，以此代替天然河道水面曲线的计算。
第一类在工程中较为常用，故本文利用分段求和法计算天然河道水面曲线。
为了正确反映河道的实际情况，提高计算精度，对天然河道分段应遵循以下原则：a.每个计算流段内，过水断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡变化不要太大。
b.在一个计算流段内，上游、下游水位差不要太大，平原河流一般Δz取0.2～1.0m，山区河流一般Δz取1.0～3.0m。
c.计算流段内不要有支流汇入或流出。
若有支流存在，必须把支流放在计算流段的起始端或末端，对汇入的支流一般放在流段的起始端，对流出的支流一般放在流段的末端。
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Wh g V Z g V Z ++=+22211222αα推求法计算天然河道水面曲线的局限性 和解决办法---暴雨洪水的水力学模型及其应用程序张校正（新疆水利厅 新疆乌鲁木齐 830000）【摘 要】 天然河道水面曲线计算的‘推求法’使用中是有很多限制的，很多情况下不便应用，应该与‘比降法’配合使用，解决天然河道水面曲线计算问题。
【关键词】 天然河道 水面曲线 推求法 比降法 水力学模型 应用程序2012年，暴雨洪水给我国很多地方造成了生命财产的重大损失，引起了防洪部门的重视，纷纷加大了防洪工程的投入。
因而防洪工程的水力学计算，尤显重要。
怎样计算天然河道的水面曲线？应该不是问题，但一些设计单位确实出现过这个问题，问题是从使用推求法计算天然河道水面曲线时产生的。
在我国的有关防洪工程的规范中，大量的篇幅，是有关工程措施的规定，水力学计算部分内容很少，没有具体的公式。
虽然规范没有详细的公式，但是在旧版的《水工设计手册》以及水力学教科书中，却有‘天然河道水面曲线’的详细论述和方法讲解。
大家都是按照这些常规算法，解决天然河道水面曲线计算问题。
新版的《水工设计手册》也有‘天然河道水面曲线的计算’的章节。
武汉大学水利水电学院出版的《水力计算手册》中也有“河道恒定流水面曲线计算”章节。
对于天然河道的各种水力要素的计算，有着详尽的规定。
上面所说的这些书中的方法是暴雨洪水的一种水力学模型，是一种一维静态的水力学模型，它就是所谓‘推求法’，是从已知水位推求未知水位的计算方法。
本文从这个方法的使用过程中产生的问题，就暴雨洪水的一维静态的其它的水力学模型进行一些研讨。
《水利水电工程设计计算程序集》为天然河道的水力计算提供了两个程序，一个是“D-14A 推求法计算天然河道水面曲线程序”；一个是“D-14B 比降法计算天然河道水面曲线程序”。
一、D-14A 推求法计算天然河道水面曲线程序的使用情况这个程序的方法，是求解下面的基本方程（过去叫做柏努立方程）：这是一个在河道上解决非均匀流从已知水位推求未知水位的公式。
在没有计算机的年代，这是一个繁琐的计算工作，旧版的《水工设计手册》详细的列出了它的计算方法和表格。
PC-1500袖珍计算机的出现，给予水利设计人员插上了翅膀，很多技术人员，都用计算机编程解决这个问题，用现在的水平要求，也都达到了现在新版《水工设计手册》的要求。
本以为这是解决问题的万能钥匙，使用的结果，却让人有些失望。
有时计算结果挺好的，有时候就计算不了。
大家都为此事困惑不解，程序编制经过多次检查，又有成功的范例，为什么有些情况下就计算不下去呢？到底是哪里出现了问题？经过我们分析，这种方法用于水库逥水曲线计算时，大都是对的，这就是旧版《水工设计手册》、新版《水工设计手册》以及《水力计算手册》论述的问题，对于这类问题都能得到满意的结果。
但是用到一些山区河流，以及从没有发生过这么大洪水的河流，甚至季节性干涸的河流，就可能出现问题，这是什么原因？原来，这个基本方程的使用是有条件的，它有三个前提：1、计算的起始断面的水深，必须来之有据，不能任意假定。
2、相邻断面之间水流必须是渐变性质，不能有水跃；3、相邻断面距离不能太长，以满足方程的微分特性；如不满足这三个条件的任意一条，就会导致计算失败，成果不能应用。
先说起始断面的水深。
从大江大河延伸，有已知的断面水位。
但是对于大量的中小河流，从来没有发生过这么大的洪水的河流，甚至季节性干涸的河流，这个已知水位其实往往是不知道的。
于是就随便假定，如果不符合水力学的基本规律，这当然是错误的开始，导致计算失败。
这里说明起始断面水深的确定问题。
1、求水库回水曲线时，都是从坝前水位开始向上游计算，起始水位与设计流量不存在一对一的关系。
起始水位可以定为水库正常高水位，也可以定为非常洪水位，一般都是合理的，其计算流量也有较大的伸缩余地。
推求法都能顺利地计算出的结果，结果也合理可靠的。
2、由拦河闸前向上游计算时，其闸前水位按照过闸水流的边界条件（河宽、闸口宽、闸墩形状、底坎高程、下游相对高程、闸门开启度等）计算求得，当拦河闸不使用闸门开度控制流量时，设计流量与闸前水位是一一对应的关系，不要任意假定。
3、由桥墩上游向上计算，与闸前向上游计算大体相同。
其水位与设计流量都存在一一对应的关系。
我们一般都使用堰流公式计算设计流量下的水位。
用于以上情况的计算，大都不会出现问题，都能得到满意的结果。
4、在我们与用户交流的过程中，凡是遭遇碰壁的，就是在没有特殊水力学特征的河流上应用时发生的。
任意假定一个水深，是导致计算失败的主要原因。
起始水深如何确定？正确的方法应该选择在坡降均匀、河道较为笔直、横断面较为规整的地方，作为起始断面。
在这段河流上，我们近似的认为发生天然河道的正常水深（即假定这里的流态为均匀流），所以用曼宁公式计算出水位～流量关系曲线（这就是所谓‘比降法’）。
在这个断面上，水位和流量是一一对应的，绝对不能任意假定。
即使有了正确的起始水深，也未必能够计算成功，这就是计算断面的之间的距离过大，导致计算失败。
推求法计算天然河道水面曲线的计算理论，直观的说法，就是假定两断面之间的水位是互有影响的（沿程水头损失所占的比例较小）。
如果不能满足这个假定，就失去了计算的理论依据。
根据这个要求，河流计算断面之间的距离要尽可能的短一些，短到什么程度，要看具体情况。
河道iR C Q ω=纵坡较缓，或者水深较大，可以适当放宽要求，纵坡较大、水深较小时，就要提高这个要求。
由于多种原因，一般测量数据多数难以达到计算者的要求，即提供足够多的河道横断面数据。
有些河道计算数据，两断面之间的距离有数百米长，这显然无法计算出正确结果。
天然河道一般在山区较多，像新疆前山区的河道，纵坡一般都大于1%。
其水深一般都不太大，主要是流速大。
在纵坡较大、流速较大的河道上，1%的坡度，50m 的距离，河床高差就相差0.5m ，如原始资料的距离再大一些，河床高差相差1m 、2m ……，你非要认为两个断面之间的水位互为关联，就显得勉强了。
这当然计算出错。
以上就是使用‘推求法计算天然河道水面曲线’所遇到的尴尬。
二、D-14B 比降法计算天然河道水面曲线程序前面我们说过用曼宁公式计算的水深作为起始断面的水深，为什么不能对所有断面都近似地使用曼宁公式计算河道的正常水深（即用均匀流的正常水深近似替代非均匀流情况下的实际水深），将其连线作为河道的水面线呢。
这就是D-14B 产生的原因。
曼宁公式如下：利用这个公式，可以计算出每一个断面处水深与流量的关系，‘D-14B 程序’是根据已知流量用二分法反求水深。
曼宁公式在人工渠槽的水力学中，有着广泛的应用。
我国的技术人员对其相关参数做了很多研究，可以说技术相当成熟。
同时，过去的很多教科书和水力学手册，对天然河道的水力学参数，也有详尽的论述，这些都是我们在河道上用曼宁公式的有利条件。
以往工程所需要的河床水位～流量关系曲线都是用这种方法作出的。
“D-14B 程序”。
按照桩号进行横断面地形数据的输入，影响成果精度的，除了地形数据的精度、糙率以外，本河段的纵坡的确定也很重要，我们称它为‘比降法’也许就是这个原因。
我们尽量将断面选在较为顺直的河段，只要这些参数较为准确，求出的正常水深，误差也不会太大。
（我们还可以变换糙率系数的值，以确定糙率对水位的影响程度。
）人工渠槽中，每一次不同坡度的变化后，水位都是从一个正常水深向另一个正常水深变化，其变化的快慢，取决于坡度变化的大小，这些变化的渠段，都是非均匀流。
而绝大部分长度，水流都处于均匀流中。
天然河道的情况非常复杂，理论上随时都在变化，不是均匀流，但对于那些不发生壅水的河段，都是从一种正常水深向另一种正常水深变化。
在资料齐全，或者坡度不大的河流中，应该使用推求法计算水面曲线。
但是在资料不齐，或者无法满足计算要求时，特别是纵坡较大，河面很宽的河流，推求法往往碰壁。
怎么办？只能以正常水深‘近似代替’实际水深。
虽然粗糙，总比没有强。
如果各个断面流速都大致相近，其精确度就相当可观了。
“D-14B程序”各个断面独立计算，没有误差积累的问题。
这种计算，还避开了断面之间距离过长的问题。
距离再长，也不会影响我们的计算。
D-14B不但能够计算已有河道的泄流能力，也可以计算加上工程措施后的河流泄流能力，还可以计算一些将要形成的泄水通道（例如加上防洪设施的街区等）的泄流能力，为防洪工程的拓展提供水力学方面的论证。
D-14B的断面平均流速非常有用，提供河道整治一个非常重要的参数。
三、D-14B与D-14A联合运用解决天然河道水面曲线计算问题我们提供的这两个程序做了很多改进，《水利水电工程设计计算程序集》的5.0版提供了输入数据的Excel模板，地形数据和水文数据可以成批考入，大大方便了计算工作。
“D-14B”与“D-14A”的地形数据形式是通用的，修改后互换工作量非常小。
为此我们建议，对于我们所说的没有水力学特征的天然河道水面曲线计算问题，优先用“D-14B”计算，这样就没有计算不通的情况（横断面高程不够时，程序会提示），用正常水深的连线大致作为天然河道的水面曲线。
如果断面位置选择恰当，各个断面的纵坡较为准确，计算结果就相当可靠。
如果断面之间的距离不长，我们还可以再用D-14A程序计算同样的课题，以资比较。
当然，D-14B的计算不适用于河道的剧烈变化的河段，例如剧烈的收缩和扩大以及陡坡、跌水、桥、闸、坝等建筑物之处。
如果有这些情况，我们可以将整个河道分为几段计算，对建筑物的前后有壅水的河段，挑出来专门再用D-14A以及其他水力学手段计算一下。
有些用户，提供给我们计算出错的D-14A的数据文件，我们就帮他们改成为D-14B的数据，计算出比较合理的结果，还建议他们根据实际资料，率定所有断面的纵坡，以期得到较为完美的计算结果。
我们用这种方法，在计算新疆拜城县防洪工程时，取得了较为满意的结果。
我们对测量数据反复校对，其中河道纵坡，测量数据给我们提供了河左岸堤顶、河左岸坡脚、河右岸堤顶、河右岸坡脚以及河中心、河最低点连线几种纵坡图形，对于我们确定计算断面的纵坡非常有用。
我们用两种方法计算的结果相当接近。
河道纵坡对河道的流速影响显著，希望大家注意。
《城市防洪工程规范》CJJ50-92（以下简称旧规范）规定：‘设计洪水位决定堤防高度，关系到堤防的安全，因此设计洪水位的确定要慎重，有条件最好用比降法和推求水面曲线法相互论证，以便使设计洪水位更接近实际情况。
’《城市防洪工程规范》GB50805-2012(以下简称新规范)规定：‘鉴于洪水位受河道断面的影响，一般采用先计算设计洪水流量再用水位流量关系法或推水面线的方法确定设计洪水位’。
旧规范所说的‘比降法’，与新规范所说的‘水位流量关系法’就是本文所说的‘曼宁公式’。