浅谈天然河道水面线推算要点及改进方法
摘要：天然河道水面线推算是河道整治与建设工作的基础，是江河堤防工程设计的重要依据，在堤防工程建设和整治中发挥着重要的作用。本文通过对天然河道水面线的推算的要点进行分析，并对水面线推算方法及改进进行探讨，以作实践参考。
关键词：天然河道;水面线推算;问题分析
水面线推算是天然河道治理防洪规划和水利工程建设中的一个重要的工作内容，水面线推算的合理性和科学性对水利工程的效益产生直接影响。然而，由于河道断面的不规则，河底坡降的不断变化，尤其是天然河道的水面线计算，是比较复杂的。天然河道的水流一般是非恒定非均匀流，河道中各种水力要素随时间的变化相对缓慢，可以认为天然河道在一定时间内是恒定非均匀流。在水利工程建设工作中，需要计算水面线时，经常计算不出结果或者计算的结果不合理，这时就需要我们掌握正确的水面线推算方法，根据天然河道恒定非均匀流水面线的计算公式，对天然河道水面线的计算前期的整理资料、划分河段、确定各参数进行计算，并指出水面线成果合理性和科学性。
一、天然河道水面线推算前期工作要点分析
1.1 准确收集地形资料
准确的计算水面线，要依赖于较为完整的河道地形资料，计算前要对地形资料加以分析以适应水面线计算的要求。横断面资料两岸高程应测到设计洪水位以上，水下部分应测完整，并要对断面资料加以分析，不是有效的过水面积如挖沙的深坑要进行断面修订。纵断面资料应包括沿程高中低水位的同时水面线，以便了解水流沿程变化情况，还应沿河段进行洪水调查。
1.2 计算河段的划分
水面线计算是逐段进行的，需要将计算河道划分为若干个计算断面，河道分段是否恰当直接影响水面线的计算成果，计算河段的划分应遵循以下原则：
(1)每个计算河段内过水断面的形状、尺寸、糙率、比降等变化不应太大。
(2)在一个计算河段内上下游断面水位差不能过大，一般平原河流取0.2～1.0米，山区河流取1.0～3.0米。
(3)每个河段内没有支流流入或流出，若河道有支流存在，在支流汇入或分出的河段处，由于流量有变化，应在支流汇入或分出点前后加设断面，设的断面位置应使同一河段的流量沿程不变。由于支流的汇入或分出，将引起下游河段流量的改变，因此应考虑流量的变化。
(4)对于平原河流，河段可划分的长一些，山区河流可划分的短一些;对于顺直河道断面形状基本一致，水流比较平稳，河段可划分的长一些，如果河道变化急剧(弯道、急滩较多)，应多布设断面，计算河段要划分的短一些。
(5)对高程提出特定要求的控制点(如防洪城镇，工厂)及河道变化急剧处上下游应视重要程度适当增加断面。
1.3 纵、横断面的确定
横断面资料两岸高程应测到设计洪水位以上或堤防背水坡脚，水下部分应测完整，要求横断面垂直与中高洪水的流向，并修正临时性工程影响(如河道内挖沙、建鱼塘等临时性工程措施)的断面，并核对测量时水面线是否为同一时刻水面线。河段长度应沿相应流量和水位的河床深泓线量取。
1.4 调查历史洪水资料
历史洪水资料直接影响到河道糙率率定的准确性，直接影响水面线计算成果。历史洪水资料包括历史洪水位、流量、洪水水面比降等，应收集调查资料。
二、天然河道水面线计算中参数的确定
水面线计算中参数确定很重要，关系到计算结果的准确性，如糙率、比降均沿流程都有变化，而要准确确定参数，就必须尽可能的收集水文、泥沙、断面及河道地形等基础资料，包括历史洪水调查资料。
2.1 糙率确定
河道糙率是反映河流阻力的一个综合性参数，也是衡量河流能量损失大小的一个特征量，是水面线计算中一个关键性参数，取值的变化将对水面线成果影响很大。糙率与河流的水深、比降、河床质组成、断面几何形状、水流平面形态等诸多水力因素有关，同时河道沿程也在变化，同一河段水位不同也会变化。在实际计算中，如计算河段有水文站，我们可以借用水文站多年实测糙率资料分析出各河段糙率与水位、糙率与流量的关系曲线。没有水文站的河段，或根据计算河段实测水面线采用试糙法来确定糙率，或历史洪水调查洪痕用曼宁公式反推糙率，也可查相关资料的天然河道糙率表。对于复式断面的主槽糙率与滩地糙率应分别确定。因为天然河道上游至下游其河床砂石粒径有从大到小的变化规律，所以在确定糙率时应注意以下几点：⑴经过试算所拟定的河床糙率应大致符合上游大下游小的规律，⑵如河道沿程整治改造，或修建堤防工程等，糙率也会随之而变。总之糙率选择要慎重，应注意从偏安全方面选取。
2.2 局部水头损失系数确定
关于河道的局部水头损失，一般对于逐渐收缩的河段，局部水头损失很小，可忽略不计;对于扩散河段，局部水头损失视扩散的急剧程度不同来选定，一般选用-0.3～-1.0。
2.3 起始水位的确定
水面线计算一般按照自下而上的断面顺序进行计算，起始断面应在设计河段的最下游。若起始断面恰好为水文站断面，可根据该水文站水位～流量关系曲线给定起始水位。若水文站断面在上游，可根据水文站水位～流量关系曲线结合河道比降初定起始断面水位，或用曼宁公式确定下游断面的起始水位。
三、天然河道水面线计算方法及改进
3.1 计算方法介绍
天然河道水面线的计算，就是根据河道地形、断面资料、糙率、比降等资料，推求该河段某个断面处在某一流量下的水位，据此可连接出一条对应于该流量的水面曲线。天然河道水面线计算一般采用恒定非均匀流能量方程计算，其公式为：
式中：Zu，Zd分别为上、下游断面水位;Q为断面流量;△s为断面间距;Ku、Kd为上、下游断面流量模数，n为断面糙率，A为断面面积，R为水力半径;α为动能修正系数，与断面上流速的不均匀性有关，对流速不大的平原河道影响较小，一般取α=1;对流速较大的山区河流或急流险滩其α值应偏大，平原河流α=1.15～1.5，山区河流α=1.5～2.0;ξ为局部水头损失系数。计算的常用方法为试算法和图解法，由于计算机的普及和计算技术的发展，适用于计算机编程的试算法应用普遍。
3.2 对传统计算方法的改进
计算机技术的发展，使得我们能够对传统的推导水位的方法加以改进，并借助计算机的强大计算能力，使推算出的水位更能够接近实际。
(1)引入微分单元
我们知道，河道断面的测量是以测距和高程来体现断点的，将各个测点逐个连接起来，就反映了整个断面的形状，测点越多就越符合实际(见图1)
从这一点出发，我们以任意相邻的测点为断点，将整个河道断面分成若干个小河槽作为微分单元;然后以这些微小单元为对象，分别求出其Qi 和Vi，再积分求出断面总流量和平均流速，从而求出Sf 和流速水头，于是求出H。
(2)引用二维糙率
以往引用糙率多限于一维问题，至多只能是将河槽分割为岸壁和河底、主槽和河漫滩，分别计算其糙率。要求得平面二维问题河床细部的糙率分布尚无有效的方法，以至在许多水力计算中都假定糙率沿河宽分布为常数，这显然是不符合实际的。糙率沿河宽分布的表达式为：
式中，为糙率;为比降;角标带“0”的为断面值，角标不带“0”的为垂线值。
四、结束语
总而言之，在天然河道治理防洪规划过程中，必须要高度重视水面线推算工作，只有科学合理的做好水面线推算，才可以做好河道规划和建设工作，促进我国河道防洪和水资源高效利用。
参考文献：
[1]周斌，王义帮. 天然河道水面线计算的一种改进方法[J].广东水利水电.2006(03)
[2]宿继成，曲少萍，胡湘. 天然河道水面线计算方法的改进[J].黑龙江水利科技.2012(01)
[3]张永秋. 水面曲线特性分析及速绘法[J].甘肃水利水电技术.2010(03)
[4]杨远东，高秀玲. 天然河道水面曲线计算的研讨[J].水文.2010(05)