河道水面线的测算方法与应用优化

河道过水断面一般不规则，可以近似采用非棱柱体明渠公式来计算水面线。计算方法可采用二等分迭代法，试算公式

式中　Δs——河段长度，m；

　　　Zu、Zd——上、下游断面水位，m；

　　　Au、Ad——上、下游过水断面面积，m2；

　　　Ku、Kd——上、下游断面的流量模数，m3/s；

　　　ε——允许误差；

　　　ζ——局部水头损失系数；

　　　α——动能修正系数。

计算河道水面线的一般步骤如下：

（1）收集并整理资料。收集的资料包括地形资料、水文资料、水工建筑物的特征水位和流量资料等。地形资料包括河道平面地形图、河道纵剖面图、横断面图、库区地形图等。水文资料包括计算河段内或者上下游河段内的水文站、水尺站提供的水位、流量过程线、河道糙率等资料。特征水位、流量资料包括水库、水闸等建筑物的正常蓄水位、死水位、防洪限制水位、设计洪水位、设计流量、水库调度过程等资料。对已收集的地形资料要核实验证，消除明显错误的数据。(www.xing528.com)

（2）根据河道地形图划分计算河段，选择计算断面。恰当的河道分段和计算断面选择是计算成果合理性的保障。河道分段的原则是计算河段内的各种水力学要素基本均匀一致，使得计算河段上下两端计算断面的几何水力学要素的平均值基本上能代表该河段各断面的情况。因此，在一个计算河段内，应尽量使河床平均底坡、糙率和断面型式基本一致。计算断面最好选在无回流的渐变流断面上，不可避免时，过水断面面积应扣除回流所占面积。同一河段的流量应沿程不变，在支流汇入或分出处的前后应加设断面。平原河流的计算河段一般可取2～4km，相应的河段两端的水头差一般在1m之内。山区河流的计算河段长度一般取20～1000m，水头差一般控制在3m之内。对于重点城镇、工矿企业、铁路等对水位高程提出特定要求的区域，更应注意河道断面的变化，适当增多计算断面，多分几段计算河段。

（3）根据河段地形状况和部分断面实测水位、流量资料，选定计算河段的糙率，计算水力学要素。糙率的选取参见6.1.3。对设置的计算断面进行几何水力学要素的计算。计算断面的过水面积A、湿周χ、水力半径R及水面宽B等水力学要素是水位Z的函数，可以计算得到Z-A、Z-χ、Z-R、Z-B关系曲线；或者计算断面上对应几个代表性水位的A、B、R、χ值，通过内插计算其他水位时的A、B、R、χ值。天然河道横断面多不规则，在工程上对计算精度的要求不是很高的情况下，常把横断面当成梯形，用式（6.1-30）进行计算湿周χ：

式中　H——最大水深；

　　　ψ——与断面的对称情况及断面的边坡有关，其值一般在0～2之间变动，矩形断面ψ=2，当断面基本对称时，ψ与（B-b）/2H有关，其中，b为河底宽，见表6.1-4。

用这种方法求得的湿周，相对误差一般小于5%，宽深比越大则误差越小。

表6.1-4　式（6.1-30）中系数ψ取值表

（4）根据计算河段的设计流量、上下游边界条件进行计算。要初步判断河道的流态，以及在拦河建筑物处、断面显著变化处的水面衔接型式。如果河道水流为缓流，计算的起始断面常选择在下游，水位为末尾断面水位值。如果为急流，计算的起始断面常选择在上游，水位为上游起始断面水位值。如果不注意流态的划分，又不了解计算程序的有关规定，一味从下游断面向上游推算水面线，也可能出现较大的误差。在有的工程项目中，已经发现了类似的问题。

（5）水面曲线结果的检查。对计算出的河道水面线成果，一定要进行复核检查。有实测断面资料时，用实测资料的水位复核水面线，误差要在工程可接受的范围。无实测资料时，可以抽取一些断面，检查有关水力要素的沿程变化是否合适，通过常识检查水面线的衔接是否合理。

工程实践中，一定要注意上下游水面线的衔接。本计算河段经过治理，河道断面发生较大变化，水位也会随之变化，与现状河道的衔接会变得剧烈，从而影响河势变化。因此必要时，可以设置治理过渡段，适当上延、下延计算长度，保证治理段河道水位的与上下游河道水位的平顺衔接。