九洲江出海口段水面線計算

崔 玨，張 穎

（廣東珠榮工程設計有限公司，廣東 廣州 510610）

設計水面線推求是堤防工程建設的基礎數據，是水文規劃設計的重要內容。近年水面線計算應用研究主要在山區河道[1]、城區河道[2]以及渠道[3]，而對分叉型河道則較少。本文以九洲江出海口段為例，采用不同的計算軟件對分叉型河道水面線進行計算，并進行成果分析。

1 工程概況

九洲江發源于廣西陸川縣，在廣東省廉江市的東北部流入，由北向南，流經廣西陸川到廉江市石角鎮入境，再流經河唇、吉水、石嶺、新民、橫山、安鋪、營仔等7個鎮，流域面積為3 337 km2，干流河長為162 km，河床平均比降0.47‰。九洲江干流在橫山鎮附近一分為二出海，其中一條為營仔河向西流經營仔匯入北部灣英羅港，河長15.49 km（從營河鎮西塘灶出海口處開始向上游至營河和安鋪河分河口處，樁號為 YZ0+000～YZ15+490），另一條安鋪河向南流經安鋪鎮、黎頭沙匯入北部灣英羅港，河長15.9 km（從安鋪鎮譚蓬村北開始向上游至營河和安鋪河分河口處，樁號為AP0+000～AP15+900）。營仔河、安鋪河下游出海口屬于感潮河道，現狀安鋪河、營仔河上分別建有高墩水閘、營仔河水閘兩座擋潮節制閘以及安鋪橋、營仔橋兩座跨河橋梁，九洲江廉江段流域水系詳見圖1。

圖1 九洲江廉江段水系圖

2 防洪潮標準

九洲江廉江段工程保護區主要由江州圍、博欖圍、六東圍及龍西圍等四宗連續的大圍組成，保護面積820 km2，保護人口27萬人，保護農田26.5萬畝。其中江州圍堤防為營仔河南邊堤與安鋪河北邊堤所包圍的范圍，主要防護區的人口約4.1萬人，農田面積為5.4萬畝；博欖圍為營仔河北邊堤、九洲江北邊堤及沙鏟河西邊堤所形成的堤圍，防護區的保護人口約4.8萬人，農田面積為4.4萬畝；六東圍主要為防護區的人口約9.6萬人，農田面積為7.7萬畝；龍西圍防護區的人口約8.5萬人，農田面積為9.0萬畝。根據GB 50201-2014《防洪標準》、SL 252-2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》以及《廣東省廉江市江河流域綜合規劃報告》（1999年12月）規定，九洲江干流下游（即安鋪河與營仔河）的設計防洪潮標準為20年一遇。

3 水面線計算軟件與計算方法

3.1 水面線計算軟件

（1）HydroLab軟件

HydroLab軟件是廣東省水利廳建設管理中心、廣州沃亞軟件有限公司聯合開發的水文水利設計計算軟件，是廣東省水文工作計算的重要工程。HydroLab軟件的原理是明渠恒定均勻流，基于伯努利能量方程來推算，比較適合天然河道，可以根據河道斷面的情況和流量，推求河道的水面線。還支持對包含復式斷面、河道擴大縮小，橋墩雍水、急轉彎等特殊斷面的河道水面線計算[4]。

（2）HEC-RAS軟件

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的水面線計算軟件，其可以進行河道穩定和非穩定留一維水力計算。軟件可以對恒定流和非恒定流河道進行模擬，也可以對橋梁、水閘等特殊斷面進行模擬。

3.2 水面線計算方法

設計河道水面線采用一維恒定非均勻流公式計算，計算公式如下

式中：Z1、Z2—分別為下游斷面和上游斷面的水位，m；

hf—為上下游斷面之間的沿程水頭損失，m；

hj—為上下游斷面之間的局部水頭損失，m。

設計河道水面線計算按上式子由下游向上游逐段推求。

當采用HydroLab軟件計算遇到閘壩時，閘壩過流能力均采用SL 265-2017《水閘設計規范》中堰流計算公式：

式中：Q—設計流量，m3/s；

m—流量系數；

ε—側收縮系數；

σ—淹沒系數；

B—過水總凈寬，m；

H—堰上總水頭，m。

翻板閘、壩綜合流量系數m取0.35；平板閘流量系數m取0.385。其他參數根據相關規范及水力計算手冊進行查算。本次計算涉及的有高墩水閘、營仔河水閘共2座；營仔河水面線計算中涉及到的閘壩有營仔河水閘、安鋪河水面線計算中涉及到的閘壩有高墩水閘。這2座閘壩根據相關設計資料按照堰流過流公式分別進行計算上下游水位差。

當采用HydroLab軟件計算遇到橋梁時，橋墩壅水采用鐵科院李付軍公式，公式如下：

式中：ΔZ—壅水高度，m；

Vm—橋下平均流速，m3/s；

Vom—建橋前橋孔部分天然狀態下平均流速，m3/s；

R—考慮橋墩和橋臺影響的反映橋孔縮窄程度的系數，R=Vm/Vom；

K—考慮沖刷影響的流速（動能）折減系數。

營仔河水面線計算中涉及到的橋梁有營仔橋、安鋪河水面線計算中涉及到的橋梁有安鋪橋。這2座橋梁根據相關設計資料按上式分別進行計算上下游水位差。

4 軟件計算設置與基本參數選取

4.1 軟件計算設置

HEC-RAS軟件可以對橋梁、水閘進行模擬，計算前輸入河道實測斷面以及設置建筑物基本參數即可進行模擬。HydroLab軟件不具有模擬建筑物的功能，當遇到橋梁和水閘時，因先推求橋下和閘下水位，通過橋梁壅水公式和堰流公式計算得橋上和閘上水位，再采用伯努利方程向推求河道上游水面線。

4.2 基本參數選取

（1）控制斷面與設計洪水

水面線計算的控制斷面采用2013年的實測資料，斷面平均間距為500 m，安鋪河河長15.9 km，共有35個斷面，其中特殊斷面包括有1個橋梁斷面（樁號 AP11+500），1 個水閘斷面（樁號 AP15+200），3 個彎道斷面；營仔河河長15.49 km，共有34個斷面，其中特殊斷面包括有1個橋梁斷面（樁號YZ1+200），1個水閘斷面（樁號YZ10+300），7個彎道斷面。

九洲江出海口段設計洪水計算，考慮了上游大型水庫-鶴地水庫的調蓄影響，建立鶴地水庫、控制水文站以及水庫與水文站區間的洪水地區組成關系成，根據實測水文資料并考慮歷史洪水的影響，按水文比擬法推求得到控制斷面的洪峰流量，計算成果如表1。

表1 九洲江出海口設計洪水成果表

（2）起推水位與頻率組合

九洲江出口面臨北部灣，無潮水位觀測站，附近有北海水文站，廣西北海水文站均為北部灣海域，因此九洲江出口潮位可用北海站實測潮位代替設計成果見表2。

表2 北海站設計高潮水位成果

安鋪河和營仔河的水面線計算考慮以下兩種工況：

1）以潮水為主的水面線洪潮組合工況

采用九洲江營仔河或安鋪河5年一遇設計洪水成果遭遇河口北海站20 年一遇高潮位。

2） 以洪水為主的水面線洪潮組合工況

采用九洲江營仔河或安鋪河20 年一遇設計洪水成果遭遇河口北海站5年一遇高潮位。

分別計算兩種水面線組合工況，取兩工況的外包線作為設計水面線成果。

5 水面線計算成果及分析

分叉型河道水面線計算的關鍵是通過不斷的試算，率定糙率并確定分流比，由河道下游往上游推算水面線，最終計算得出兩分支在分叉口的水位相等，即完成河道水面線計算。分叉型河道的河道糙率率定與分流比確定一并進行。

（1）糙率率定與分流比確定

九洲江干流有缸瓦窯水文站，位于安鋪河與營仔河河道分叉口上游約3 km，根據2013年缸瓦窯水文站實測水位流量對營仔河和安鋪河河道糙率進行率定驗證，兩軟件推求得出該河段糙率為0.034，與1995年7月廣東省水文總站和湛江市水文分站《九洲江缸瓦窯設計洪水分析》中率定河道糙率0.033較為接近，由于本次計算采用最新地形資料，因此以本次計算率定成果為準，安鋪河與營仔河河道綜合糙率為0.034。

九洲江出海口各頻率的設計流量按不同比例分配設計流量，根據營仔河與安鋪河的水位兩河交叉口處同頻率對應的水位相等特定條件下，充分考慮營仔河、安鋪河的彎道損失系數，通過對營仔河與安鋪河水面線不斷試算，從而求得九洲江在營仔河、安鋪河各頻率的分流比。

表3 安鋪河、營仔河各頻率分流比成果

（2）設計水面線成果

由附圖2與附圖3可知，采用HEC—RAS與HydroLab軟件的水面線計算成果在安鋪河和營仔河平均水位差分別為-0.29 m和-0.26 m，最大水位差分別為-0.60 m和-0.54 m，最小水位差均為-0.01 m，計算成果比較接近，且水面線變化趨勢基本一致。HEC—RAS軟件計算安鋪河和營仔河分叉口水位差為0.02 m，而HydroLab軟件計算差值為0.01 m。基本滿足分叉口的水位相等的計算條件。由于兩種計算軟件計算出兩河流的水面線成果相差不大，成果基本合理，從工程安全角度考慮，推薦使用HydroLab軟件計算的成果。

圖2 安鋪河20年一遇的設計水面線成果

圖3 營仔河20年一遇的設計水面線成果

6 結論

（1）分叉型河道水面線計算的計算步驟和次數較一般河流復雜，需通過不斷的試算，率定河道糙率與確定設計頻率分流比，滿足分叉口水位基本相等的條件。計算時可采用多種軟件計算，綜合分析選取成果。

（2）HEC—RAS與HydroLab軟件在分叉型河道的水面線計算成果相差不大，HydroLab比HEC—RAS軟件計算成果偏高0.26～0.29 m，從工程安全角度考慮，建議使用HydroLab軟件進行水面線計算。