小流域治理中的復(fù)雜水面線計算方法探討

劉春玲

（寧鄉(xiāng)縣水土保持預(yù)防監(jiān)督局 長沙市 410600）

1 工程概況

溈水系湘江下游左岸一級支流，發(fā)源于寧鄉(xiāng)縣扶王山，控制流域面積2 430 km2，河長144 km，平均坡降1.16‰。流域內(nèi)溪溝發(fā)達(dá)，從西至東貫穿寧鄉(xiāng)縣境支流多達(dá)99 條，其中尤以烏江和楚江為最。

根據(jù)工程任務(wù)，本次河道治理段位于溈水南源上游，綜合治理總長5.6 km。治理項目區(qū)地處湖南省三大暴雨地區(qū)之一——雪峰山北峰安化梅城一帶邊緣，屬中亞熱帶向北亞熱帶過度的大陸性季風(fēng)濕潤氣候，水量充沛。

根據(jù)調(diào)查，目前擬整治河段存在的主要問題有：其一，堤防堤身單薄，加之河道內(nèi)淤積嚴(yán)重，減少了河流過水?dāng)嗝?，一遇較大洪水，則造成洪水漫溢，沖刷兩岸堤防；其二，由于河段地處山區(qū)，河床坡降大，流速快，水位變化較大，為保護河床、便于兩岸農(nóng)田灌溉，目前河道內(nèi)建有多座小型河壩。這些河壩多建于20世紀(jì)50～70年代，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低，運行至今，均有老化破損情況存在。由于以上原因，致使項目區(qū)內(nèi)洪澇災(zāi)害頻繁，年年防汛抗災(zāi)，耗費大量人力物力，也威脅著當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)安全，阻礙了當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。

根據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-94）規(guī)定，溈水上游河道整治工程等別為Ⅴ等，主要建筑物級別為5級，堤防工程防洪標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇洪水設(shè)計。

2 水文計算基礎(chǔ)資料

2.1 河段水系

工程區(qū)地處寧鄉(xiāng)縣溈水上游，河段平均坡降J=4.31‰，治理河段全長5.6 km。治理河段起始斷面（0+000）集雨面積28.95 km2，斷面以上河道長10.42 km，河段內(nèi)有兩條支流匯入主河干道，一支流入?yún)R于樁號1+640 處，匯入口集雨面積48.09 km2，二支流入?yún)R于樁號3+716 處，匯入口集雨面積57.8 km2。圖1 為河段水系圖。

圖1 河段水系圖

2.2 河段內(nèi)涉水工程資料

治理河段地處溈水南源，系山區(qū)河流，現(xiàn)狀河道蛇曲蜿蜒、阻水河段較多，河道狹窄，河岸邊坡沖刷嚴(yán)重。河段內(nèi)主要分布有多座小型灌溉引水河壩，多為當(dāng)?shù)卮迕駷榻鉀Q農(nóng)田灌溉自發(fā)組織建設(shè),上游河段無大型水利工程。根據(jù)測量成果，各河壩基本情況見表1。

表1 各河壩基本情況 m

3 設(shè)計洪水水面線計算步驟

溈水整治河段屬于山區(qū)河流，根據(jù)實地走訪勘察，河段堤防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，河段內(nèi)有小型擋水固定壩9 座，對水面線有一定的影響，故水面線計算過程根據(jù)實測河道橫斷面和相應(yīng)設(shè)計洪峰流量，將河段以河壩為界分為若干個計算段落，推算河道設(shè)計洪水水面線，具體步驟如下：

第一步，推求設(shè)計暴雨及設(shè)計洪峰流量。根據(jù)《暴雨洪水查算手冊》，采用推理公式法或綜合單位線法計算洪峰、洪量及洪水過程。

第二步，在河道下游段選擇相對順直、河道比降較緩河段，采用均勻流公式，計算相應(yīng)的設(shè)計洪水位，并以此水位作為水面線計算的起始值。

第三步，以上述起始河道斷面為計算斷面，從下游向上游根據(jù)河道恒定非均勻流基本方程推求河道水面線至整治河段最后一個河壩（鳳凰壩）斷面下游。

第四步，根據(jù)鳳凰壩斷面過流量、壩下水位高程、堰高、過流寬度等基本數(shù)據(jù)，利用堰流實用計算公式，核定淹沒系數(shù)，反推鳳凰壩壩上水位。

第五步，將鳳凰壩斷面作為起始斷面，再次從下游向上游根據(jù)河道恒定非均勻流基本方程推求河道水面線至整治河段倒數(shù)第二個河壩（石江壩）壩下水位。此時，匯流支流由兩條變?yōu)橐粭l，設(shè)計洪峰流量相應(yīng)減小。

第六步，根據(jù)石江壩斷面過流量、壩下水位高程、堰高、過流寬度等基本數(shù)據(jù)，利用堰流實用計算公式，核定淹沒系數(shù)，反推石江壩壩上水位。

第七步，利用河道恒定非均勻流公式自石江壩斷面繼續(xù)往上游推求……。

以此類推水面線至整治河段起始斷面位置。

4 設(shè)計洪水水面線計算方法

4.1 設(shè)計暴雨及設(shè)計洪峰流量計算

切入點：由于溈水整治河段無水文測站，不能直接采用流量資料推求設(shè)計洪水，故洪水計算根據(jù)《湖南省暴雨洪水查算手冊》查取流域暴雨參數(shù)，并結(jié)合小流域集雨區(qū)下墊面條件，合理選取參數(shù)，采用推理公式法計算洪水過程。

計算方法：查《湖南省暴雨查算手冊》，整治河段屬于湖南省暴雨分區(qū)第七區(qū)，最大24 h 點雨量均值為120 mm，最大24 h 點雨量變差系數(shù)Cv＝0.50，偏態(tài)系數(shù)Cs=3.5 Cv，產(chǎn)流分區(qū)屬第Ⅰ區(qū)，本次采用初損、地表徑流系數(shù)法進(jìn)行產(chǎn)流計算，其中初損I 取30 mm，地表徑流占總徑流的比值Ψ 取0.75。根據(jù)上述有關(guān)參數(shù)求得10年一遇24 h 面暴雨量為197.21 mm。

根據(jù)地形參數(shù)θ、匯流系數(shù)m 及Rt/t 關(guān)系曲線，推求P=10%設(shè)計洪水見表2。

表2 P=10%設(shè)計洪水

4.2 天然河道水面線計算

切入點： 天然河道蜿蜒曲折，過水?dāng)嗝婧懿灰?guī)則，斷面形狀、粗糙系數(shù)及河道底坡沿程都有變化，加上河道工程的阻水影響，導(dǎo)致水力因素十分復(fù)雜。計算采用水力學(xué)中河道水面線的計算原理和方法。

計算原理：首先假設(shè)發(fā)生設(shè)計洪水時，河道水流屬于恒定非均勻流，水面線計算采用天然河道水位沿程變化的伯努利能量方程式：

Hf——沿程損失；

Hj——局部損失；

Z上、Z下——上、下斷面水位高程。

對于沿程損失hf，目前計算方法比較統(tǒng)一，一般采用以下公式求解：

式中 Q——設(shè)計流量；

L——上下斷面間距；

A、C、R——符號意義同均勻流公式。

對于局部損失Hj，目前分析計算的方法較多。一般對于河道工程，不同的局部阻水情況有不同的分析計算方法，本次局部損失采用一般水力學(xué)法計算，計算式如下：

式中 ξ——局部水頭損失系數(shù)。對于河道的局部水頭損失系數(shù)，一般對逐漸收縮的流段，局部損失很小，可以忽略不計；對于擴散的河段，局部損失系數(shù)ξ 可?。?0.3～-1）之間，視擴散的急劇程度不同來選擇，擴散角較小者可取-0.3，突然擴散可取-1。

V上、V下——上、下游斷面流速。

4.3 起始斷面水深計算

切入點：在整治河段下游選擇相對順直、河道比降較緩河段斷面，通過《水力學(xué)》均勻流公式，根據(jù)設(shè)計洪峰流量Qm計算相應(yīng)的設(shè)計洪水位，并以此水位和流量作為水面線計算的起始值。

計算原理：根據(jù)河段實際情況，選取距整治河段下游100 m 的5+700 斷面作為水面線起始計算斷面。5+700 斷面水位流量關(guān)系采用均勻流公式Q=計算：

式中 A——過水?dāng)嗝婷娣e，A=（b+mh）h；

m——邊坡系數(shù)；

n——計算河段平均糙率，根據(jù)河床實際情況，查《水力學(xué)》渠道及天然河流的糙率n 值表，天然河道糙率取0.04，整治后河道糙率取0.035。

計算成果：起始計算斷面（5+700）水位～流量關(guān)系曲線見圖2。

圖2 起始計算斷面（5+700）水位～流量關(guān)系曲線

4.4 河壩堰頂水位高程計算

切入點：已知河壩斷面過流量、壩下水位高程、堰高、過流寬度等基本數(shù)據(jù)，利用寬頂堰實用計算公式，通過反復(fù)試算，反推上游壩頂水深H0,計算過壩水位高程。

計算原理：

式中 δs——寬頂堰淹沒系數(shù)，當(dāng)Hs/H0＞0.8 時，過堰水流為淹沒出流，淹沒系數(shù)δs可查《水力學(xué)》表8.2 得；當(dāng)Hs/H0≤0.8 時，過堰水流為自由出流，淹沒系數(shù)δs＝1。

a——壩頂入口形狀系數(shù)，墩頭為矩形，堰頂入口為方角時，取a=0.19；

b——壩頂溢流孔凈寬；

B——上游河渠寬；

m——流量系數(shù)，堰頂入口為方角時，m=0.32+0.01

P1——上游壩高；

H0——上游壩頂水深。

計算成果：由計算可知，整治前，遇設(shè)計洪水時，河段內(nèi)有多座河壩堰流形態(tài)為淹沒出流，δs≤1；通過清淤加固等綜合治理后，遇設(shè)計洪水時，堰頂水位有所降低，堰流形態(tài)均為自由出游，δs＝1。整治河段內(nèi)治理前后河壩壩頂水位高程計算成果分別見表3、表4。

5 設(shè)計洪水水面線計算成果

整治前河段底寬較窄，斷面洲灘淤積嚴(yán)重，部分河段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)不足10年一遇；整治后，通過河段堤防培厚加固，洲灘清淤，工程后河道糙率減小，水面線有所降低。整治前后水面線見圖3。

表3 整治前堰頂水位高程計算成果表

表4 整治后堰頂水位高程計算成果表

6 結(jié) 語

從以上對小流域治理中復(fù)雜水面線的計算推理過程來看，可基本得出如下結(jié)論：當(dāng)天然河道河段內(nèi)沒有控制斷面或水文測站時，可利用《暴雨洪水查算手冊》計算河段內(nèi)設(shè)計暴雨、設(shè)計洪水，以下游斷面為初始計算斷面逐斷往上游推求水面線，起推斷面選擇治理河段下游河道相對順直、比降較緩河段，起推斷面水深可按均勻流公式進(jìn)行計算，起推斷面往上水面線計算按照天然河道水位沿程變化為恒定非均勻流的伯努利能量方程式進(jìn)行推算，在推算過程中，如遇壩、閘等小型阻水建筑物，利用寬頂堰實用計算式，以壩下水位為基礎(chǔ)，反推堰上水頭，計算堰上水位高程，之后繼續(xù)利用能量方程式計算上游斷面水位，如此反復(fù)推算直至整治河段起始斷面。用此方法推算小流域治理中多支流、多河壩河段水面線，計算成果與實際洪水調(diào)查結(jié)果基本相符，比較合理。

圖3 溈水治理河段工程前后水面線圖（P＝10%）