明渠水面线计算方法研究

明渠水面线计算方法研究

李壮

河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250

摘要：水面线是水力学的重要研究内容，水面线在水利工程、水文预报及水库管理中起着重要的作用。本文通过对明渠水面线计算方法的研究分析，得出了应用理论公式计算水面的可行性，为后续通过应用公式计算水面线提供了依据，可以使明渠水面线计算快速求解。

关键词：明渠；水面线；计算方法

0、引言

水面线, 亦可称流动断面,是流动的水体和气体交界的一条曲线。水面线计算是进行防洪规划、明渠整治的基础，其结果直接左右明渠断面的规划设计，对整个防洪工程的工程量和投资都有重要影响。变截面渠道和天然河道的水面线通常用水位或水深沿流程的变化情况来描述，考虑到河道底高程的不规则变化, 用水位变化来表征水面线更为方便与直观。

1、研究方法现状

现行的水面线计算方法是试算数学模型,这使得水面线推求费时费力，且精度不高容易出错，覆盖范围不广，不便于借助计算机编程计算。传统的计算水面线迭代方法遇到比较复杂的函数表达式时求导困难，并且初始值要在某一领域选择，且计算精度不高，适用范围比较有限。而水面线的推求又是确定工程规模的重要依据，其推算结果的准确度直接影响到工程输水效果、建设规模和造价等。因此，解决传统计算模式中计算精度不高、初始值选择受限等问题成为现阶段研究的重点。

2、明渠水面线计算方法

在实际应用中通常遇到断面、底坡等断面参数存在沿程持续改变的问题，此时若继续采用单级定断面明渠的计算方法进行逐段试算，可能会造成计算误差大、工作量繁琐等后果。因此，对多级变坡、变断面棱柱体明渠水面线的计算，有必要考虑水力参数沿程改变情况下的一般解法，达到优化水面线计算的目的。研究运用ras软件进行计算，通过设置好的程序输入已知的水力参数即可得到沿程的水深变化情况，并由此绘制出相应的水面线。研究思路是把上游渠道末的相关计算结果作为下游渠道端的已知条件，之后利用迭代的思想计算出沿程水深，并由得出的数据绘制出相应计算段的水面线。

3、明渠水面线误差影响因素分析

明渠水面线计算时默认为水力参数在分段区间内保持不变，实际情况下，水面线计算结果受到断面划分方法、测站数据准确性、水头损失等因素的影响，导致计算水面线结果与实际情况存在一定误差。因此，需要进行误差分析，并对误差进行处理。经过梳理相关文献，总结出影响水面线计算结果的因素如下：

（1）地形误差。地形误差来源主要是地形测量误差和引用地形图比尺不同带来

的误差,核心要素是提供数据的精度不同导致不同的水面线计算结果。

（2）断面选择。当进行水面线研究时，首先工作就是确定控制断面。控制断面一

旦选择，便无可避免地会产生误差。尤其是在划分顺直段与缩扩段时，这是区分形状

阻力与沿程阻力的关键。而这两个阻力机理性质不同，选择不当会产生较大的误差。

（3）断面面积。断面面积对于水面线计算影响较多,惯性力、形状阻力、沿程阻力

等均受断面面积的影响。面积改变，流速相应发生改变，因此简单按照测量数据代入

计算程序计算面积存在一定的误差。

（4）水力损失。弯道水流产生了螺旋运动,水头损失比同等长度直线河渠也偏大。

扩散河段、收缩河段以及有支流汇入的河段在不同缓急状态下是否计入局部水头损失对水面线结果也有一定的影响。

4、水面线计算误差处理方式

通过分析水面线计算公式和水力特性等,可以得出断面划分方法和计算参数差分别是影响水面线计算结果的两个主要原因。对于计算结果的修正，一般步骤为资料分析、参数修正、成果复核等,待确认合理后方能提交应用。针对以上误差，处理方式如下：

（1）地形误差。对于地形状况存在的影响，要结合现有水文资料进行资料分析。 对不同工况的水面线计算，需要合理选用地形图比例尺，确定合理的精度，之后对计算结果通过引入安全系数等进行修正。

（2）断面选择。计算时，首先将断面类型进行划分，如收缩断面、跌水断面、曲率变化断面等，不同断面采用不同的计算精度。其次，结合河床底坡走向划分断面,不要在两个断面间出现尖峰底坡,避免不真实模拟河床底坡状况。

（3）断面面积。断面面积不能简单按照测量数据代入程序进行计算，因不同类型的明渠内水体所处状态不同。如:葫芦串型河道,宽断面两边很可能接近静水状态。有深坑的断面,底部可能流速很小。扣除流速较小部分面积后的测量断面面积作为计算面积较妥。

（4）水力损失。在水面线计算时，水流螺旋运动及河道扩散、收缩等会产生冲击、挤压和摩擦作用，这会导致水流结构及其复杂。在计算时，我们需要引入修正系数，结合不同工况不同水流形态对计算结果进行修正。

5、水面线计算方法应用前景分析

本文通过分析计算中存在的误差，确定好工程实际精度，借助于计算机，在简单的程序下就可以实现水面线的推求，既能够满足工程设计要求,又便于工程人员实际应用。此外，在推算山区天然河道水面线时,应考虑实地情况,如考虑水位、流速对工程的影响，当涉及大数据处理时，应用计算机系统做整个流程的框架，采用编程语言，有目的地进行，这样可以实现大容量数据的合理处理，在实际工程中具有广阔应用前景。

6、结束语

明渠水面线的研究是水力学中的重要分支，是水利工程设计的主要依据，在水文、水情预报中起着重要的作用，在库区设计及管理中是不可或缺的重要参数。广泛推广采用科学的明渠水面线计算方法，可以使实际工程项目数据获取过程更为方便快捷，计算结果也更加精准。

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