陈杜锐

(深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518000)

1 引言

在水利水电工程中，河道(渠道)水位是分析评判河道过流能力、行洪能力，决定水利工程效益的重要影响因素，因此，河道水面线推求方法是科学研究及工程应用中极为关注的问题。

常规水面线计算方法为采用考虑水头损失的恒定非均匀渐变流计算法，即伯努利方程逐段试算法。随着计算机技术的发展，数值软件越来越多应用于水面线计算，国内许多学者对此也进行大量研究[1-3]。谭玲[4]将HEC-RAS和Mike11应用于水电站尾水渠水面线计算，结果表明两款软件相较于传统方法具有高效、精确的特点；杨会娟[5]等采用对比分析了HEC-RAS、Mike11及广东水文水利设计计算软件平台三款软件在山区河流水面线计算特点，结果显示相较于水文计算平台和Mike11模型，在模拟有建筑物的山区河流时HEC-RAS性能更优；艾来提江·谢热甫丁[6]、陈雪冬[7]等将Mike11应用河道整治工程；吴名剑[8]、范威[9]、刘洋[10]等分别利用SOBEK-RURAL软件、雨洪法、HEC-RAS模型等推算山区中小河流水面线；此外，部分学者尝试应用智能算法如遗传算法等进行水面线的求解[11]。从水面线研究进展来看，目前主要集中山区河道、平原河道、渠道等天然河道或规则的人工河道，一般河道断面形式也较为简单。对于复杂断面形式河道、不规则生态护岸形式河道水面线，目前研究较少。

城市建成区河道一方面为改善河道生态景观条件，在用地条件相对有限的情况下，通常采用框式挡墙等新型护岸技术。但该类河道受生态框结构的影响，河道断面呈不规则的锯齿状，另一方面由于受占地、防洪标准、投资等影响，堤顶高程对整体方案的造价敏感度极高，因此对水面线计算准确性要求较高，系统误差要求尽可能的小，因此，常规方法应用限制较大，本文基于Mike11模型及Hydrolab Basic软件探讨该类河道水面线计算方法。

2 模型简介

2.1 Mike11软件

Mike11是丹麦水力研究所(DHI)开发的适用于河道、河网、灌溉等一维水水动力模拟的水力学仿真软件，因其强大功能及适用性，已经广泛应用于水电工程设计、河道整治、防洪排涝规划等工程中。Mike11基本原理为求解圣维南偏微分方程组，方程组采用六点隐式差分格式进行求解，其一维水动力控制方程组如下。

动量方程：

连续性方程：

式中：t为时间，s；Q为流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；x为沿河道距离，m；g为重力加速度，m/s2；C为谢才系数；α为动力扩散系数；R为水力半径，m；q为侧向入流流量，m3/s；h为河道水位，m。

2.2 Hydrolab Basic软件

水文水利设计计算软件(Hydrolab Basic)为通用的水利水文计算软件平台，该平台包含水文频率计算、暴雨径流计算、水库洪水调节计算、灌溉系统设计和水面线计算等模块，其中水面线计算模块以求解一维伯努利能量方程为理论基础，控制方程如下：

式中：Z1为上游河底高程，m；H1为上游河道水位，m；α为流量系数；v1为上游断面平均流速，m3/s；Z2为下游河底高程，m；H2为下游河道水位，m；α2为流量系数；v2为下游断面平均流速，m3/s。

3 实例应用

3.1 概况

某城市河道位于深圳市宝安区，流域面积4.72 km2，平均比降16‰，河长2.97 km。该河道流域上游大都位于丘陵、低山区域，中下游大都位于建成区，河床纵比降较大，水流的冲刷能力较强，汛期洪水暴涨暴落。由于城市的开发与建设，下游约1.5 km河段(暗渠)被缩窄、填埋改道，过流能力严重不足，因此需对河道进行改扩建。本文以该段河道为研究对象，基于Hydrolab Basic和Mike11模型对治理后设计水面线进行推求。

3.2 河道断面

根据明渠不同类型护岸做法，拟定三种不同结构的河道设计断面形式：

(1)框式挡墙生态护岸断面

该型设计断面明渠段河道采用框式挡墙，河道断面呈现不规则的锯齿状结构，见图1(a)。

(2)梯形生态护岸断面

该型设计断面采用简化的梯形断面，岸坡采用草皮护坡，见图1(b)。

(a)①型生态护岸断面形式

(3)直立式断面

该型设计断面采用简单的矩形断面，河槽底宽与生态河道相同，河道护岸结构均为直立式挡墙。

3.3 边界条件

城市河道由于流域面积小，比降大，而且河道两岸通常均为建成区，汇流速度极快，径流过程与降雨过程基本同步，洪水历时较短，因此枯水期河道基本无水、汛期河道水位暴涨暴落，通常无可靠的水位流量数据。因此，上游流量边界采用河口20 a一遇设计流量，下游水位边界采用水力学曼宁公式法求得，推求得到直立断面及②型生态护岸断面对应重现期为20年的河口起推水位分别为55.84 m和55.19 m，①型生态护岸采用近似梯形断面起推水位。

3.4 计算结果分析

根据河道轴线、断面数据、边界条件和初始条件等，采用Mike11水动力模型和Hydrolab Basic软件两种计算方法对三种断面分别进行模拟计算，结果见图2～图4。

(a)①型生态护岸断面水位结果

(a)②型生态护岸断面水位结果

(a)直立式断面水位结果

从图2(b)、图3(b)、图4(b)可知，Hydrolab Basic和Mike11模型断面平均流速、水面线变化趋势总体均基本相同，同时呈现河道坡降越大，流速越高的规律，符合水力学一般规律，表明两种计算方法计算结果基本合理可靠。

从图2(a)、图3(a)、图4(a)可知，对比Hydrolab Basic和Mike11模型两种方法三种不同类型的护岸结构各个断面的水位模拟结果显示Hydrolab Basic软件相较于Mike11模型计算结果偏为保守，相同的起推水位下，其余断面水位普遍高于Mike11模拟水位。

从两种计算方法的水位差方面分析，差值最大处为河道纵坡从急变缓再变急处，这是因河道底坡变化剧烈，两种计算方法对此条件下水位计算策略不同导致，从三种不同类型断面计算结果分析，该规律具有普遍性。

从图5(a)、图5(b)可知，从梯形生态护岸设计断面和框式挡墙生态护岸模拟结果对比分析可知，在可过水断面基本一致的情况下，梯形断面洪水位普遍低于框式挡墙，这是由于框式挡墙不规则岸坡对洪水波向下游传播造成一定的阻碍，同样设计流量下流速较小，但总体而言其水位雍高最大值仅为0.19 m，影响有限。

(a)两种生态护岸水位结果

4 结论

本文基于Mike11模型和Hydrolab Basic软件对不同断面形式城市建成区河道水面线进行仿真模拟，对比分析不同模型计算结果合理性及其存在的差异性，结论如下：

(1)Mike11模型和Hydrolab Basic软件计算结果差异不大，但Mike11模型计算水面线偏低，Hydrolab Basic则较为保守。

(2)对于不规则生态护岸形式河道水面线计算，由于Mike11模型的非恒定假定，更符合实际河道水流流态，其计算结果更为合理。

(3)同传统梯形生态断面相比，采用框式挡墙等新型护岸技术河道在具备近似防洪能力条件下对占地相对较少，景观条件较好，更适用位于建成区的城市河道。