天然河道水面線計算的幾點體會

□鄭 星

在天然河道整治工程設計中，河道水面線的計算是關鍵的一步，推求水面線的計算方法也很多，例如水深沿程變化的微分方程法、斷面比能沿程變化的微分方程法、水位沿程變化的微分方程法以及天然河道水面線計算系統等。這些方法基本理論依據都是明渠恒定非均勻流漸變流一維平移流動能量平衡的微分方程，在公式的推導過程中均有按其邊界條件做了近似或技術處理，均有其邊界條的局限性。很多的水利工作者已經證明，對人工河道或水力參數變化不大相對規則的天然河道，采用前4種推算天然河道水面線的計算方法均能滿足河道整治工程的精度要求，但對于河道的過水斷面極不規則、河床不斷發生沖淤變化、沿程水力參數變化較大的情況，建議采用天然河道水面計算系統分析計算水面線，這種方法相對比較符合實際。現就在實際工作過程中、采用天然河道水面線推求系統計算河道水面線談幾點體會。

1.明渠恒定漸變流微分方程

在底坡為i的明渠漸變流中，沿水流方向任取一微分流ds，如圖1所示。

圖1

斷面1—1和斷面2—2，列出能量方程?

可以看出，方程左端為上游水位函數，右端為下游水位函數，令上游水位函數為F1(Zu)，下游水位函數為F2(Zd)，則有

F1(Zu)=F2(Zd)時的水位高程即為所求。F1(Zu)和F2(Zd)函數中：

u、d—為上游和下游斷面的水流要素下標；

Zu、Zd—為上游水位和下游水位，Z=ZO+h；

ZO—為河道底高程，實測取得；

α—動能修正系數，平均流速代替質點流速的修正系數，視情況一般取1.0～1.1；

ξ—局部水頭損失系數，參考相關書籍取值；

ΔS—計算流段，山區河道取短些，平原河道取長些；

Au、Ad—為上下游過水斷面，實測可得；

Ku、Kd—上下游的流量模數為設計流量，按設計技術標注求得；

Q—為設計流量，按設計技術標準求得；

式中：

v—斷面平均流速；

J—為水力坡度，實際為摩擦阻力，

在計算中，建議用水力坡度代替河底坡度。

2.計算方法

由和以及其中各個參數均為上下游水位的函數，直接求解是不可能的，計算方法有兩種：一種是試算法，一種是圖解法。圖解法也是一種很好的方法，這里不再贅述。下面就試算法做一說明。

已知下游斷面的水位Zd（已知上游水位Zu、時方法相同），求出F2(Zd)的值。

設定若干上游斷面水位Zu的值，求出函數F1(Zu)的值，可繪制Zu～F1(Zu)曲線，如圖2所示。

圖2

在Zu～F1(Zu)曲線上，取F1(Zu)=F2(Zd)的位置的Z值，即為Zu值，以此類推自下游向上游推求。

依據上述的基本理論，可以編制計算機程序進行計算，試算程序編制過程中，注意精度控制，一般保留2位或3位小數即可滿足精度要求。

3.幾點體會

一是河道糙率的確定。河道糙率是影響水面線精度的關鍵參數之一，在計算過程中要認真斟酌。可用實測資料反推綜合糙率。《水力計算手冊》中選取，注意河道治理中適當選小些，治理規劃中可選大些。

二是起推斷面與起推水位。上述方程中可知，第一斷面必須是已知的，否則不能逐步推求下一個斷面。起推斷面：緩流時選在下游，由下游向上游推求，急流時選在上游，由上游向下游推求（斷面比能法已有證明），起推斷面位置應設計斷面終占下游或上游延伸200～500m，消除誤差；起推斷面水位。起推斷面選擇較規整的河道斷面，或橋涵等處，采用謝才公式求得水位，做為起推水位，逐河段推求。有歷史記載的洪水位資料也可以分析確定起推斷面的起推水位。

三是逐段推求，分段原則：分段中，水流要素應變化較小；有支流匯入或流出時，增設推求斷面；各種阻水建筑上下游增設推求斷面；河道比降，斷面形狀變化較大時，分段短些，反之可長些。一般段內水位較差平原河道控制在0.2～1.0m，山區河道控制在1.0～3.0m。

四是縱橫斷面修正。遇到回水區域局部大坑存有死水區，根據上下游斷面情況，應修正為平面上有效過水斷面；縱坡為人為的局部變化較大，局部縱坡明顯與上下游天然縱坡不符的情況，應恢復原有縱坡。

五是局部水頭損失。河道中的橋涵壩阻水較大的建筑物，僅有局部水頭損失系數反映水頭損失是不夠的，這種情況可用阻水計算方法來確定局部水頭損失。

六是水面線成果合理性分析。水面線計算成果合理性分析是重要的一步。天然河道水面線推求系統的基本方程的推演過程中有各種近似的處理，另外在推求過程中有人為的因素添加在里面，因此成果是否符合實際情況要進行合理性分析。推求的成果與已有的實測成果比較，是否相匹配；不同標注的水面線應相協調，不能相交；水面線平滑，不能有明顯的突然變化；河道形態沒有突然變化，流速不能有明顯變化；在沒有發生水躍和水跌的條件下，采用流態判斷參數判斷流態，其流態不能發生變化。

七是采用這種方法推求天然河道水面線，應充分掌握河道的一手資料，水文氣象、地形地貌、河床地質、河道來水來沙等資料，利用這些資料具體情況，科學處理推求過程中的問題。