浅论防汛中河道水位的几种计算方法

浅论防汛中河道水位的几种计算方法

作者：xhw

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上传时间：2006-02-08

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简介：利用试算法和图解法可以求解天然河道或渠道中测站上下游的水位，了解河道或渠道水位涨落速度及最高承受水位，为灌区的防洪抗洪指挥、总结防洪经验提供一定的参考作用。

关键字：防汛河道水位试算法图解法

相关站中站：防汛抗旱

1 引言

在防汛过程中，河道的水位对防汛抢险具有重要的参考价值。一般天然河道的水位测量站分布稀疏，当一段河道离水位测量站较远时，通过计算的方法大致了解其水位显得尤为重要。

就当前赣抚平原灌区而言，东、西总干渠道均有一段渠段是天然河道，原人工开挖渠道经过四十多年的流水冲刷，也渐渐变得与天然河道相差无几。根据天然河道水位的计算方法计算渠道内水位测站上下游水位，了解渠道水位涨落速度及最高承受水位，对灌区的防汛抗洪指挥、总结

防汛经验具有一定的参考作用。

2 几组水位计算公式的推导

天然河道蜿蜒曲折，其过水断面形状极不规则，同时底板和糙率往往沿程变化。这些因素使得天然河道水力要素变化复杂。由于河道的这些特点，其水位计算时，可根据水文及地形的实测资料，预先将河道分为若干河段。分段时应尽可能使各段的断面形式、底坡及糙率大致相同，同时保证计算段内流量不变。当然，计算河段分得越多，计算结果也就越准确，但计算的工作量及所需资料也大大增加。分段的多少视具体情况而定。一般计算河段可取2~4km，且河段内水位落差不应大于0.75m。此外，支流汇入处应作为上、下河段的分界。

图1所示为天然河道中的恒定非均匀流，取相距为Δs的两个渐变流断面1和2，选0—0为基准面，列断面1和2的能量方程为

z 1 + = z

2

+ +Δh

w

式中z

1，v

1

和z

2

，v

2

分别为断面1和2 的水位和流速；Δh

w

为断面1和2

之间的水头损失，Δh

w =Δh

f

+Δh

j

。沿程水头损失可近似的用均匀流公式计算，

即Δh

j =Δs，式中为断面1和2的平均流量模数。局部水头损失Δh

j

是由于过水断面沿程变化所引起的，可用以下公式计算：

Δh j = （－）

式中为河段的平均局部水头损失系数，值与河道断面变化情况有关。在顺直河段，=0；在收缩河段，水流不发生回流，其局部水头损失很小可忽略，取

=0；在扩散河段，水流常与岸壁分离而形成回流，引起局部水头损失，扩散越大，损失越大。急剧扩散的河段，可取=－（0.5~1.0）；逐渐扩散的河段，取

=－（0.3~0.5）。因扩散段的v

2< v

1

，而式正值，故取负号。

将Δh

f 和Δh

j

的关系代入能量方程得

z

1 + = z

2

+ + Δs + （－）⑴上式为天然河道水位一般计算式。

如所选的河段比较顺直均匀，两断面的面积变化不大，两断面的流速水头差和局部水头损失可略去不计，则上式可简化为

z 1 － z

2

= Δs ⑵

利用式⑴或式⑵，即可进行河道水位的近似计算。

3 河道水位的计算方法

㈠一般河道水位计算——试算法

计算天然河道水位，应已知河道通过的流量Q，河道糙率n，河道平静局部水头损失系数，计算河段长度以及一个控制断面的水位z

2

。若已知下游控制断面

水位z

2，则可由向上游断面逐段推算，此时与z

2

有关的量均属已知。将式⑴有关的已知量和未知量分别写于等号两边，则有

z

1

+ + －Δs = z

2

+ +

式中v=，代入后有

z

1

+ －Δs = z

2

+

上式等号右边为已知量，以B表示，左边为z

1的函数，以f（z

1

）表示，即

得

f（z

1

）= B

计算时，假设一系列z

1，计算相应f（z

1

），当f（z

1

）=B时的即为所求。

通常将假设的3、4个z

1值与相应的f（z

1

）值绘制成z

1

~ f（z

1

）曲线，如图2

所示。根据已知B值从曲线上查得相应的z

1

值，即是所求的上游断面水位。依

次逐段向上推算，可得河道各断面的水位。反之，若已知上游水位值z

1

，则从上

游往下游逐段推算z

2

。

㈡图解法

图解法种类较多，现介绍其中较为常用的一种方法——断面特性法。

利用简化公式⑵

Δz = Δs

令=（ + ）

其中K为特性流量，是断面要素的函数，因

K2 =

则⑵可改写为

Δz = Δs（ + ）⑶

式中，A是水位的函数，即

= f（z）⑷

当z= z

1时，f（z

1

）=F

1

；z=z

2

时，f（z

2

）=F

2

。代入上式，则

Δz = Δs [ f（z1）+ f（z2）] = Δs [ F1+ F2 ]

根据水位资料，绘制上、下断面的z~f（z）曲线。如图3所示。假设河段

上、下游断面的水位为及，在图3曲线上去aa’=z

1，则oa’=F

1

；同样，在曲线

上去bb’=z

2，则ob’=F

2

。过a作水平线交bb’于c点，则ab于ac之夹角的

正切为

tgθ= =

所以

Δz=tgθ（F1+F2）⑸

比较式⑷与⑸，得

tgθ=（n

2

Q

2

）Δs

因此，只要根据已知起始断面水位，在曲线z

1~f（z

1

）上取定a点，从a

点作角度为θ=arctg（Δs）的射线，交曲线z

2~f（z

2

）于b点，b点的纵

坐标即为z

2

值。