天然河道水面线计算及合理性分析
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。
工程设计中天然河道水面线计算
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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
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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
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。
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。
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
河道防洪水面线的计算分析
河道防洪水面线计算涉及大量水文、地形、工程等数据， 数据的获取和处理难度较大，对数据质量和精度要求较高 。
模型预测能力有限
当前模型主要基于历史数据和经验公式进行构建，对于未 来极端气候事件和人类活动影响的预测能力有限。
未来发展趋势预测
加强模型普适性研究
未来将进一步拓展模型的适用 范围，提高模型对不同河流类 型和防洪需求的适应性，实现 模型的通用化。
实例背景介绍
河流概况
位于我国南方的一条中型河流， 流域面积广，水流湍急，洪水频 发。
防洪需求
为保障沿岸城市和农田的安全， 需对该河流进行防洪规划，确定 合理的防洪水面线。
数据收集和整理过程
水文数据收集
工程设施数据
收集河流历史洪水数据、降雨数据、 水位数据等。
收集河流上已有的水库、堤防等工程 设施的设计和运行数据。
水流特性对防洪水面线影响
水流流速
流速越大，水面线越高， 需要更高的防洪标准。
水流流向
流向改变会导致水流紊乱 ，产生局部壅水和降低防 洪能力。
水流含沙量
含沙量大会导致河床淤积 ，降低河道泄洪能力。
不同断面形态下计算方法选择
矩形断面
可采用一维水动力学模型进行计算分析，如圣维南方程组等 。
梯形断面和复合断面
要点一
影响因素
河道防洪水面线受多种因素影响，主要包括河道地形、地 质、水文、气象等自然条件，以及水库、堤防、分蓄洪区 等防洪工程措施。
要点二
变化规律
河道防洪水面线的变化规律主要表现为沿程水位的逐渐降 低。在洪水传播过程中，由于河道糙率、断面形态、水流 流态等因素的影响，洪水波会逐渐坦化，波峰降低、波谷 升高，导致沿程各断面的洪水位逐渐降低。同时，随着洪 水向下游传播，由于河道比降逐渐减小、河床糙率逐渐增 大等因素的影响，河道防洪水面线的降低速度会逐渐减缓 。
水面线计算在堤防工程设计中总结范文分析pdf
水面线计算在堤防工程设计中总结范文分析pdf第5卷第6期中国水运Vol.5No.62007年6月ChinaWaterTranportJune2007收稿日期：2007-5-18冉四清徐霞晴摘要：堤防工程关系到人民财产、生命安全的重要工程，其中的水面线计算又是重中之重，推算好水面线是整个设计的坚实基础，更是确定堤防工程规模和方案的关键性依据，本问仅就堤防工程中水面线计算内容进行概况总结分析，以供大家交流探讨。
关键词：水面线计算堤防工程总结分析1．断面在设计河段布置施测河道大断面时，需要结合河道变化（包括比降、河床质、植被、河势变化等）的具体情况，合理取定断面间距，并在卡口、桥梁、溢流堰上下游附近增加断面。
横断面的测量工作包括：统一高程系统，断面不同位置的地物标注，两岸高程测至历史最高洪水位以上1.5～2.0m范围，修正临时性工程影响（如河道内挖沙、建鱼塘等临时性工程措施）等。
2．历史洪水3．糙率4．控制断面水位～流量关系曲线二、天然河道设计洪水水面线1．计算方法2．历史洪水位拟合及河道糙率的率定在已知历史水位、流量的条件下，即可通过试算的方法来拟合该洪水位。
在试算过程中，调整糙率、局部水头损失系数等参数，可以达到拟合水位的目的，同时实现对河道糙率的率定。
拟合计算误差一般控制在0.05m左右，以保证计算精度。
因为天然河道上游至下游其河床砂石粒径有从大到小的变化规律，经过试算所拟定的河床糙率也应大致符合这一规律，当然也不排除一些特殊情况，比如水利工程、跨河建筑物上下游局部等。
3．局部水头损失当河道出现逐渐缩窄或放宽、突然缩窄或放宽时，会出现一定的局部水头损失，若不考虑此项因素，可能使得计算结果失去准确性，顺直河段可不考虑此项损失。
当河道逐渐变化时，其损失系数可取0.3～0.5；当河道突然变化时，其损失系数可取0.5～O.1。
4．天然河道情况下的断面在拟合历史洪水位时，历史洪水发生年份的河道大断面除水文站之外基本上很难准确考证，此时，可参照修建防洪工程之前的河道断面近似作为当时的河道断面进行计算，也可以对较为敏感的河段作一些河道变迁及冲淤变化调查工作。
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
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。
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。
天然河道水面线试算简化方法_孙道宗
b1
=
■2l[ A1
nQ R12
3]
2
=0
.373
m
a1 -b1 =0 .136 m
H1
=
Z
1 1
+a 1
-b1
=123 .344
m
>H2 (H2
=
123 .314)
③Z
1 1
调整及验算
■Z =H2 -H1 =-0 .030 m
Z1
=Z
1 1
+■Z
=123 .178
m
验算 :
第 29 卷 第 2 期
a1 -b1 =(a2 -b2 )(AA21 )2
上游水位初值
Z
1 1
可由下式算出
(6)
Z
1 1
=H2
-(a 2
-b2
)(A2 A1
)2
(7)
式中的
A1
可假设为均匀流时
,由
Z
11 1
=Z 2
+
2b2 从 Z 1 =f(A1)曲线上查出 。
由式(7)确 定了
Z
1 1
后, )和
Z 1 =f(R1)曲线上查出 A1 、R1 值 , 代入公式(3)和
0 +000 500
0 122.48 2 560 2.97 0 .466 0.368 0 .098
123 .3 14
123.216 2460 123.208
0 +500 5 00
123.208 2 450 3.14 0 .509 0.373 0 .136 123.344
-0 .0 30
0 123.178 2 430 3.13 0 .518 0.381 0 .137 123.315 124.214 -0.001 123.940 4400 124.172
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。
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。
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。
河道水面线推求及参数选取方法
河道水面线推求及参数选取方法Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】设计洪水水面线推算根据沿程比降、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：式中： 1Z 、1V ——上游断面的水位和平均流速；2Z 、2V ——下游断面的水位和平均流速；j f w h h h +=——上、下游断面之间的能量损失；l RC Vh f 22=——上、下游断面之间的沿程水头损失； )22(2221gV g V h j -=ζ——上、下游断面之间的局部水头损失； ζ——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ζ取值0.333，桥渡处ζ取值0.05~0. 1。
C ——谢才系数；R ——水力半径；α——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x Nxnn ∑=1当 ；设总湿周x 的各组成部分1x ，2x ，……Nx 及所对应的粗糙系数分别为n 1，n 2……n N 。
1糙率的选取河道糙率影响因素有河槽方面也有水流方面。
河槽边壁及河床粗糙程度，滩地植被，河槽纵横形态的变化是主要因素。
大洪水糙率小于小洪水糙率，若附近有大洪水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；若河道纵横断面于大洪水有较大变化时应在河道原貌的基础上反推糙率；反推糙率实际上小于实际糙率。
无资料时可根据经验参照水力计算手册确定，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起推断面与起推水位的确定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，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。
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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。
三、天然河道水面线计算参数设定
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。
没有水文站的河段，或根据计算河段实测水面线采用试糙法来确定糙率，或历史洪水调查洪痕用曼宁公式反推糙率，也可查相关资料的天然河道糙率表。
2、局部水头损失系数确定。
关于河道的局部水头损失，一般对于逐渐收缩的河段，局部水头损失很小，可忽略不计；对于扩散河段，局部水头损失视扩散的急剧程度不同来选定，一般选用-0.3～-1.0。
3、起始水位的确定。
由于大多数河道水流为缓流，河道控制断面设在下游，自下而上推算，起始断面应在设计河段的最下游。
若起始断面恰好为水文站断面，可根据该水文站水位～流量关系曲线给定起始水位。
若水文站断面在上游，可根据水文站水位～流量关系曲线结合河道比降初定起始断面水位，或用曼宁公式确定下游断面的起始水位。
四、对工程中常遇的水面线计算的建议
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
在对水库和枢纽工程淹没范围的河道进行天然水面线的计算时，其主要目的是确定回水曲线以及水面线的交点。
要想对水库尾部的交接点进行确认，可以从库尾前往河的上游，如果上游的水面线正确，那么就能得出交点。
根据河道水流的状态，可以选择不同的地点作为初始计算断面进行计算。
当水流比较湍急时，适合选用上游河段的断面进行计算，依次向下计算，算出水面线的具体值。
相反，当河道水流均匀时，就以坝址处的断面进行计算，通过假设一个水深值，然后不断向上游计算，得出水面线的具体值，可以忽略对其他分段的计算。
2、防洪工程的河道天然水面线的计算建议
水面线的计算关系到防洪工程的展开。
一般来说，通过对水面线的计算对堤顶的高程进行确认。
笔者在工作中有过此类水面线计算的经验。
如果在所测量水面线的河段内有桥梁，则不能以桥梁作为控制断面，桥梁如果是碍洪桥，则必须用堰流公式计算其壅水高度，最后与计算结果叠加作为最终计算水位；如果不是碍洪桥，则可以用《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-1999）简单计算其壅水高度，最后与计算结果叠加作为最终计算水位。
在测量范围内如果有护基坝、量水堰等，要以其为控制断面进行计算；如果有支流汇入的水库，干、支流量得分配，应按水文频率遭遇分析决定，为简单计，可采用同频率流量。
五、结合工程实例进行分析
1、基本情况
方山河是渭河水系右岸一级支流，发源于华阴市华阳乡单沟，自南向北过吝家门，至方山寺出峪口，出峪口后向北过白土坡、陈家堡、孙庄，良坊，在党家堡村以北汇入渭河。
方山河全长20.18km，流域面积12.45km2，河床平均比降8.63‰。
方山河上游峪口以上为石质山区，河谷深切，岸坡陡立，两岸呈“V”型，侵蚀较强，表现为以下切作用为主的山峡地貌形态。
出峪口后方山河从洪积扇从南流向北，下游穿过渭河一级阶地后流注入渭河，河势大体顺直，局部微弯。
上游郑西高铁以南河流比降大，平均比降约35.43‰，河道主要表现为冲沟，宽度约15～30m，坎高约1.7～4.0m，边坡1:0.4～1:2，稳定性较好。
郑西高铁以下段较平缓，平均比降约1.09‰，由于河道淤积及堤防加高形成地上河，堤内低于堤外0.5～3.5m，老西潼公路桥以上段堤间距15～40m，以下至河口间距为50～180m。
2、水面线推求
（一）横断面资料
方山河河道横断面采用陕西省水电设计院2013年实测的地形图。
（二）水面线计算方法
水面线计算采用天然河道恒定非均匀流能量方程式，运用水文水利分析计算绘图软件系统（水利部四川省水利水电勘测设计研究院）由下游向上游逐段推算。
其基本计算公式为：
式中：Zu、Zd—上、下游断面水位，m；
Au、Ad —上、下游断面过水面积，m2；
ku、kd —上、下游断面流量模数，m3/s；
—局部水头损失，对渐变流，=1，=0；
Δs—上、下游断面间距，m；
Q—断面流量，m3/s；
g—重力加速度，取9.81m/s2。
用直接迭代法求解，计算回水水面线。
（三）桥梁壅水计算
方山河段堤防共有6座桥，通过分析以上桥梁在设计水位下的考虑桥梁阻水和不考虑桥的阻水两种方案的计算成果，桥梁不属碍洪建筑物。
根据《铁路工程水文勘测设计规范》（TB10017-1999）中的有关规定和如下经验公式。
桥前壅水可按下式计算：
=
式中：——壅水曲线最大壅高（m）；
——系数，根据河道类型和河滩过水能力而定；
——建桥后，通过设计流量时的桥下断面平均流速（m/s）；
——通过设计流量时，桥位断面天然水流全河床断面平均流速（m/s）。
最终按确定的20年一遇防洪标准对河堤进行必要的加固操作，从而保证河堤的牢固程度，为人们的生产和生活提供保证，还要保障人们的安全，防止灾害的发生。
六、结束语
水面线的计算关系到防洪工程，因此合理的推求和计算是最为基本的要求。
通过笔者对几种方法和几款软件的介绍，我们已经对天然河道水面线的计算有了初步的认识和了解。
只有不断精确计算方法，才能得出更加精确的数值和结论，为我国的水利工程发展与建设做出贡献。
参考文献：
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[4] 王世策.受变动回水影响的洪水位预报研究[J]. 治淮. 2010(11)
[5] 李本怀,刘文,王意惟.长春地区降水量代表性规律计算分析方法[J]. 水利科技与经济. 2009(09)。