天然河道水面线计算的几种方法探讨
赵文丽
陕西天元水利电力勘察设计有限公司陕西西安710003
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
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
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。按照弗劳德数(F r ) 的不同，河道水流流态可分为三类：缓流(Fr1)和临界流(Fr=1)。平原河道水流一般为缓流，山区河道水流一般为急流，临界流只存在于局部河段。不同的流态有不同的水面线算法，开展不同条件下河道水面线计算方法的应用研究，对于河道水面线推算方法的合理选用、提高设计人员的工作效率都有很重要的作用。笔者对河道整治中经常采用的几种水面线推算方法进行了分析。1水面线推算的几种常用方法
1．1明渠恒定均匀流法
明渠恒定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。其基本公式为连续方程和谢才公式的组合：Q=ACRi 式中：Q 为流量，m ³/s；A 为断面面积，㎡；C 为谢才系数。
一般采用曼宁公式c=R1/6／n 计算，其中R 为水力半径、n 为糙率；i 为河道比降。明渠恒定均匀流法的最大优点是计算简单，缺点是条件要求苛刻：①水流应为恒定流，且流量沿程不变；②渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变，渠道中无水工建筑物的局部干扰。虽然明渠均匀流法受到诸多条件的限制，但是因为其计算简便，所以在满足或近似满足明渠恒定均匀流条件的河道整治工程中被广泛采用。
1．2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。其基本原理为：
式中：Z 1、A 1、K 1分别为上游断面的水位（m ）、过水断面面积（㎡）、流量模数；Z 2、A 2、K 2分别为下游断面的水位（m ）、过水断面面积（㎡）、流量模数；△l上、下游计算断面之间的流段长度（m ）；α为流速改正系数，为流段的平均局部水头损失系数。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。
1．3HEC -RAS 软件
HEC -RAS 软件是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的。该软件可以完成一维恒定流和非恒定流的河道水力计算，既能推算平原河道水面线，又能推算山区河道水面线，在国内外河道水面线推算中已得到广泛应用。
1．3．1恒定流水面线计算
基于一维能量方程，逐断面采用直接步进法推求水面线。其计算公式为：
Z 2=Z1+hi +hj +α1V 12（-α2V 22（/2g ）/2g ）
式中：Z 1、Z 2分别为下断面和上断面的水位；α1、α2分别为下
断面和上断面的流速系数；V 1、V 2：分别为下断面和上断面的流速；
g 为重力加速度；h i 、h j 分别为上、下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失。
1．3．2非恒定流水面线推算
非恒定流水面线计算基于连续性方程和动量方程：
式中：p 为水的密度；u 为流速；x 为距离; f 为质量力；p 为压力；v 为流体运动黏性系数。HEC —RAS 软件中包含了桥梁、涵洞等建筑物处的水力学计算模块，可以推算有建筑物情况下的河道水面线。另外，该软件受河道断面变化约束影响较小，能推求山区天然河道水面线。
1．4SOBEK 软件
SOBEK 软件是由荷兰代尔夫特水力学所及有关机构联合开发的模型库系统商用软件，由SOBEK RIVER 、SOBEK RUAL 和SOBEK URBAN 三大模块组成，每个模块中又分别包含了不同的小模块，河道水面线推算应用SOBEK RUAL 中的一维水流模块Chnnel Flow 。Chnnel Flow 基于一维圣维南方程：
式中：Q 为流量；t 为时间；A f 为过水面积；h 为相对水位；C 为谢才系数；R 为水力半径；W f 为水面宽度；T wi 为风剪切力；q 为单位
长度上的侧流流量；ρw 为水密度。SOBEK 软件可以将河流、渠道、
城市排水系统联系成为一个完整的系统。它的应用范围较为广泛，可以用于洪水预报、排水系统优化、灌溉系统控制、水库管理、河流形态控制以及水质控制等。计算一维河道水面线只是它很小的一个应用方面。SOBEK 软件受河道断面变化约束的影响较小，既能推算纵坡较缓的平原河道水面线，又能推算纵坡变化较大的山区河道水面线。2计算方法的初选
2．1明渠均匀流法和天然河道水面线系统
在实际河道水面线推算中，选用不同的计算方法会产生不同的计算结果，不同的水流流态应采用相应的计算方法。对于纵坡较小且满足恒定均匀流的河道，一般采用明渠恒定均匀流法或天然河道水面线系统进行水面线推算；纵坡较小、断面不规整的缓流河道，水面线推算除采用天然河道水面线系统外，也可采用HEC -RAS 软件或SOBEK 软件进行推算；纵坡较大的急流河道可采用HEC -RAS 软件或SOBEK 软件进行水面线推算。水位推算结果的最大差值发生在河道变坡上游断面，原因是天然河道水面线系统考虑了变坡下游断面水位对上游水位的影响，而明渠均匀流法没有考虑此影响，以至计算结果偏小，明
渠均匀流法推算的水位为规划河底高程和推算水深之和，当下游起始水位高于推算水位时，以起始水位替代推算水位。天然河道水面线系统则考虑了河道下游起始水位对上游各水面线推算的影响，计算结果更符合实际。
综上所述，当河道较短、起始水位较高、起始断面水深与均匀流法计算水深相差较大时，应采用天然河道水面线系统进行水面线推算；当起始断面水深与均匀流法计算水深比较接近时，两者推算结果基本一致，因明渠均匀流法计算简便，故建议采用明渠恒定均匀流法进行水面线推算。
2．2天然河道水面线系统、HEC -RAS 软件与SOBEK 软件
在推算纵坡较缓的河道水面线时，若不考虑建筑物对河道水面线的影响，则因天然河道水面线系统数据处理相对简单，计算结果也易于处理，故推荐采用天然河道水面线系统推算河道水面线；若河道建筑物对水面线影响较大，因为天然河道水面线系统不能直接推算有建筑物情况下的河道水面线，而HEC-RAS 软件和SOBEK 软件可以直接推算这种情况下的河道水面线，故推荐采用这2种软件。推算纵坡较陡的急流河道水面线时，两款软件对基础资料的要求相对苛刻，且SOBEK 软件运行费用远远高于HEC -RAS 软件，再加上SOBEK 软件的输出结果比较繁琐，因此推荐采用HEC -RAS 软件进行推算。3. 结语
(1)坡度较小、沿程顺直且断面规整的河道，如果起始断面水深与均匀流法计算水深比较接近时，那么明渠均匀流法和天然河道水面线
系统的计算结果基本一致，建议采用计算较为简便的明渠恒定均匀流法进行水面线推算；若起始水位对上游河道水位影响较大，则应采用天然河道水面线系统推算河道水面线。
(2)对于断面不规整的缓流河道，天然河道水面线系统和HEC -RAS 软件的计算结果比较接近，但是总体来说，水位计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。若不考虑河道建筑物的影响，则因天然河道水面线系统数据处理相对简单，计算结果也易于处理，故推荐采用天然河道水面线系统推算此类河道水面线；若考虑河道建筑物对水面线的影响，则推荐采用HEC -RAS 软件或SOKEK 软件。
(3)在推算纵坡较陡的急流河道水面线时，HEC -RAS 软件推算的水位比SOBEK 推算的水位高，随流量的增大水位差值有增大的趋势，但变化不大。对于山区河道，因为基础资料相对平原河道较为薄弱，而SOBEK 软件与HEC -RAS 软件相比对基础资料的要求相对苛刻，且SOBEK 软件运行费用远远高于HEC -RAS 软件，再加上SOBEK 软件的输出结果比较繁琐，所以在实际工作中，常常采用HEC -RAS 软件推算山区河道的水面线。
参考文献：
[1]省水文总站. 广东省河流糙率综合分析[M].1979.
[2]谢汉祥. 漫滩水流特性与水力学计算[A]. 河流泥沙国际学术讨论会论文集[C].1980.
[3]丁菊良. 计算天然河道水面线的新方法[J].山西水利科技.1997(04).
[4]李家星. 赵振兴《水力学》, 河海大学出版社.2001年1月第2版
[5]李炜. 《水力计算手册》(第二版). 武汉大学水利水电学院, 水力学流体力学教研室.2006年6月.
天然河道水面线计算的几种方法探讨作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：赵文丽陕西天元水利电力勘察设计有限公司城市建设理论研究（电子版）ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu2012(30)
引用本文格式：赵文丽 天然河道水面线计算的几种方法探讨[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2012(30)
天然河道水面线计算的几种方法探讨
赵文丽
陕西天元水利电力勘察设计有限公司陕西西安710003
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
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
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。按照弗劳德数(F r ) 的不同，河道水流流态可分为三类：缓流(Fr1)和临界流(Fr=1)。平原河道水流一般为缓流，山区河道水流一般为急流，临界流只存在于局部河段。不同的流态有不同的水面线算法，开展不同条件下河道水面线计算方法的应用研究，对于河道水面线推算方法的合理选用、提高设计人员的工作效率都有很重要的作用。笔者对河道整治中经常采用的几种水面线推算方法进行了分析。1水面线推算的几种常用方法
1．1明渠恒定均匀流法
明渠恒定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。其基本公式为连续方程和谢才公式的组合：Q=ACRi 式中：Q 为流量，m ³/s；A 为断面面积，㎡；C 为谢才系数。
一般采用曼宁公式c=R1/6／n 计算，其中R 为水力半径、n 为糙率；i 为河道比降。明渠恒定均匀流法的最大优点是计算简单，缺点是条件要求苛刻：①水流应为恒定流，且流量沿程不变；②渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变，渠道中无水工建筑物的局部干扰。虽然明渠均匀流法受到诸多条件的限制，但是因为其计算简便，所以在满足或近似满足明渠恒定均匀流条件的河道整治工程中被广泛采用。
1．2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。其基本原理为：
式中：Z 1、A 1、K 1分别为上游断面的水位（m ）、过水断面面积（㎡）、流量模数；Z 2、A 2、K 2分别为下游断面的水位（m ）、过水断面面积（㎡）、流量模数；△l上、下游计算断面之间的流段长度（m ）；α为流速改正系数，为流段的平均局部水头损失系数。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。
1．3HEC -RAS 软件
HEC -RAS 软件是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的。该软件可以完成一维恒定流和非恒定流的河道水力计算，既能推算平原河道水面线，又能推算山区河道水面线，在国内外河道水面线推算中已得到广泛应用。
1．3．1恒定流水面线计算
基于一维能量方程，逐断面采用直接步进法推求水面线。其计算公式为：
Z 2=Z1+hi +hj +α1V 12（-α2V 22（/2g ）/2g ）
式中：Z 1、Z 2分别为下断面和上断面的水位；α1、α2分别为下
断面和上断面的流速系数；V 1、V 2：分别为下断面和上断面的流速；
g 为重力加速度；h i 、h j 分别为上、下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失。
1．3．2非恒定流水面线推算
非恒定流水面线计算基于连续性方程和动量方程：
式中：p 为水的密度；u 为流速；x 为距离; f 为质量力；p 为压力；v 为流体运动黏性系数。HEC —RAS 软件中包含了桥梁、涵洞等建筑物处的水力学计算模块，可以推算有建筑物情况下的河道水面线。另外，该软件受河道断面变化约束影响较小，能推求山区天然河道水面线。
1．4SOBEK 软件
SOBEK 软件是由荷兰代尔夫特水力学所及有关机构联合开发的模型库系统商用软件，由SOBEK RIVER 、SOBEK RUAL 和SOBEK URBAN 三大模块组成，每个模块中又分别包含了不同的小模块，河道水面线推算应用SOBEK RUAL 中的一维水流模块Chnnel Flow 。Chnnel Flow 基于一维圣维南方程：
式中：Q 为流量；t 为时间；A f 为过水面积；h 为相对水位；C 为谢才系数；R 为水力半径；W f 为水面宽度；T wi 为风剪切力；q 为单位
长度上的侧流流量；ρw 为水密度。SOBEK 软件可以将河流、渠道、
城市排水系统联系成为一个完整的系统。它的应用范围较为广泛，可以用于洪水预报、排水系统优化、灌溉系统控制、水库管理、河流形态控制以及水质控制等。计算一维河道水面线只是它很小的一个应用方面。SOBEK 软件受河道断面变化约束的影响较小，既能推算纵坡较缓的平原河道水面线，又能推算纵坡变化较大的山区河道水面线。2计算方法的初选
2．1明渠均匀流法和天然河道水面线系统
在实际河道水面线推算中，选用不同的计算方法会产生不同的计算结果，不同的水流流态应采用相应的计算方法。对于纵坡较小且满足恒定均匀流的河道，一般采用明渠恒定均匀流法或天然河道水面线系统进行水面线推算；纵坡较小、断面不规整的缓流河道，水面线推算除采用天然河道水面线系统外，也可采用HEC -RAS 软件或SOBEK 软件进行推算；纵坡较大的急流河道可采用HEC -RAS 软件或SOBEK 软件进行水面线推算。水位推算结果的最大差值发生在河道变坡上游断面，原因是天然河道水面线系统考虑了变坡下游断面水位对上游水位的影响，而明渠均匀流法没有考虑此影响，以至计算结果偏小，明
渠均匀流法推算的水位为规划河底高程和推算水深之和，当下游起始水位高于推算水位时，以起始水位替代推算水位。天然河道水面线系统则考虑了河道下游起始水位对上游各水面线推算的影响，计算结果更符合实际。
综上所述，当河道较短、起始水位较高、起始断面水深与均匀流法计算水深相差较大时，应采用天然河道水面线系统进行水面线推算；当起始断面水深与均匀流法计算水深比较接近时，两者推算结果基本一致，因明渠均匀流法计算简便，故建议采用明渠恒定均匀流法进行水面线推算。
2．2天然河道水面线系统、HEC -RAS 软件与SOBEK 软件
在推算纵坡较缓的河道水面线时，若不考虑建筑物对河道水面线的影响，则因天然河道水面线系统数据处理相对简单，计算结果也易于处理，故推荐采用天然河道水面线系统推算河道水面线；若河道建筑物对水面线影响较大，因为天然河道水面线系统不能直接推算有建筑物情况下的河道水面线，而HEC-RAS 软件和SOBEK 软件可以直接推算这种情况下的河道水面线，故推荐采用这2种软件。推算纵坡较陡的急流河道水面线时，两款软件对基础资料的要求相对苛刻，且SOBEK 软件运行费用远远高于HEC -RAS 软件，再加上SOBEK 软件的输出结果比较繁琐，因此推荐采用HEC -RAS 软件进行推算。3. 结语
(1)坡度较小、沿程顺直且断面规整的河道，如果起始断面水深与均匀流法计算水深比较接近时，那么明渠均匀流法和天然河道水面线
系统的计算结果基本一致，建议采用计算较为简便的明渠恒定均匀流法进行水面线推算；若起始水位对上游河道水位影响较大，则应采用天然河道水面线系统推算河道水面线。
(2)对于断面不规整的缓流河道，天然河道水面线系统和HEC -RAS 软件的计算结果比较接近，但是总体来说，水位计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。若不考虑河道建筑物的影响，则因天然河道水面线系统数据处理相对简单，计算结果也易于处理，故推荐采用天然河道水面线系统推算此类河道水面线；若考虑河道建筑物对水面线的影响，则推荐采用HEC -RAS 软件或SOKEK 软件。
(3)在推算纵坡较陡的急流河道水面线时，HEC -RAS 软件推算的水位比SOBEK 推算的水位高，随流量的增大水位差值有增大的趋势，但变化不大。对于山区河道，因为基础资料相对平原河道较为薄弱，而SOBEK 软件与HEC -RAS 软件相比对基础资料的要求相对苛刻，且SOBEK 软件运行费用远远高于HEC -RAS 软件，再加上SOBEK 软件的输出结果比较繁琐，所以在实际工作中，常常采用HEC -RAS 软件推算山区河道的水面线。
参考文献：
[1]省水文总站. 广东省河流糙率综合分析[M].1979.
[2]谢汉祥. 漫滩水流特性与水力学计算[A]. 河流泥沙国际学术讨论会论文集[C].1980.
[3]丁菊良. 计算天然河道水面线的新方法[J].山西水利科技.1997(04).
[4]李家星. 赵振兴《水力学》, 河海大学出版社.2001年1月第2版
[5]李炜. 《水力计算手册》(第二版). 武汉大学水利水电学院, 水力学流体力学教研室.2006年6月.
天然河道水面线计算的几种方法探讨作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：赵文丽陕西天元水利电力勘察设计有限公司城市建设理论研究（电子版）ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu2012(30)
引用本文格式：赵文丽 天然河道水面线计算的几种方法探讨[期刊论文]-城市建设理论研究（电子版） 2012(30)