重力回水系统
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上下断面间河段距离选取对水库回水计算的影响（沙成刚 赵廷红）
发布时间:日
摘要：上下断面间河段距离△L的选取是计算水库、水电站回水和确定淹没线的重要影响因素之一。分别探讨河段间距选取对确定河道比降的影响和对回水长度范围确定的影响。分析表明，在同流量同起推水位不变的情况下，河段间距选取越大，河道平均比降、末端回水尖灭点的极值趋向误差就越大，不能正确反映出河道水面线的真实情况，所以要提高回水水面线的计算精度，就要严格控制好河段间距的选取。
关键词：回水计算；上下断面间河段距离；水面线；起推水位；回水末端
Impacts of River Reach Distance Selection between Upper and Lower Cross Section on Reservoir Backwater Calculation
SHA Chenggang1,2, ZHAO Tinghong1
Abstract: The river reach distance between upper and lower sections △L is a main factor that influence the backwater calculation and the determination of submerged line of reservoir. The impacts of △L on the determination of river channel gradient and backwater length are analyzed. The results show that a larger △L can lead to bigger extremum tend errors on the calculation of river average gradient and backwater length when the flow and initial push level are same. For improving the calculation accuracy of backwater surface curve, the selection of △L must be strictly controlled.
Key Words: b river reach distance between upper and
backwater end
中图分类号：P333 文献标识码：A 文章编号：（2013）05-0004-04
水库回水计算成果是确定水库淹没处理范围的重要依据，其计算正确与否直接影响到淹没对象的实物指标（包括需要迁移的人口和淹没土地、房屋、林木、公路、桥涵等的数量）以及库区淹没赔偿范围，关系到水利水电工程正常蓄水位和汛期限制水位的合理选定；也是建库后，对水库进行调洪演算考虑动库容影响时所必需的。然而，影响水库回水计算成果和精度的主要因素有河道断面特性值F、沿河糙率n、河段计算流量Q、上下断面间河段距离△L 及局部水头损失等[3]，要使这些因素正确合理就要合理布设测量断面、提高测量精度，并应用Excel、AutoCAD 等软件深入细致地分析计算，进而得出较为精确的回水水面线，以为解决实际问题提供有力的数据支撑。但河道的分段一般以人工方式进行，在划分时往往容易忽视其重要性而不被重视，从而出现计算成果精度不高或与实际不符的情况，造成不必要的返工。为此，本文从实际应用的角度出发，探讨分析同流量、起推水位不变而河段间距不同，对确定河道比降精度的影响及对确定回水长度范围的影响。
1 对确定河道比降精度的影响
1.1 计算公式
目前，普遍采用的回水计算公式大都是经过简化和近似处理的。工程实际中，一般按恒定流考虑，由下断面水位Zd推求上断面水位Zu，使之符合计算依据的基本方程明渠恒定非均匀渐变流能量方程[1]。其基本计算公式
式中，Zu、Zd、△Z为上下游断面水位和水位差；Q为计算河段流量；△L为上下断面的间距；K为上下两过水断面流量模数平均值；Vd、Vu为上下断面平均流速；α为断面流速不均匀系数；ζ为局部水头损失系数；A为断面面积；R为水力半径；n为糙率；J为河段的水力坡度；为河道平均水力坡度；K为河道的流量模数；g为重力加速度。
计算库区河道水面线时，沿库区河道各个断面的水位Z 在流量不变的情况下，理论上水位没有变化，但实际中推出的水面线存在较大误差。其主要原因就是河段间距选取的不合适，使得上下断面间各水力要素不一致，从而导致计算所得河道比降和实际比降出现偏差，水位或高或低。因此，无论是从上断面推求下断面，还是从下断面推求上断面，都需要选取较为合适的河段间距，再推求水面线。
1.2 实例分析
根据某水电站实测地形图及实测资料，河道的综合糙率选为0.032，正常水深2.76 m，河道平均宽度约80 m；又根据SL 290—2003 《水利水电建设征地移民设计规范》规定，本次淹没标准采用5 年一遇且流量为1 210 m3/s。其平面示意见图1。
为方便讨论和比较，在水库河道断面间距分别取100、200 m 及300 m。其中，Ⅰ-Ⅰ桩号为坝址位置，桩号排列逆河流方向，起算断面即坝址处断面。以下游独立石附近的Ⅰ断面（坝址处）作为下边界，以上游大桥附近的Ⅺ断面作为上边界。
在同流量及起推水位不变的情况下，选不同河段间距进行对比分析可知：当河段△L 取100 m时，选取19 个断面，各河段间河道比降的变化不大，说明各水力要素基本上无大的变化，但随着河段间距△L 取为200 m和300 m增大时，河段比降变化较明显，出现忽高忽低现象，说明随着河段间距的增大，各水力要素出现上下端面的相对不一致性，影响到了河段比降的取值，进而影响整个河道的平均比降的取值，形成较大的误差，其不同河段间距时的比降变化趋势对比图，如图2。
值得一提的是，计算断面(河段的上下两端断面) 最好选在无回流的渐变流断面上，不可避免时，过水断面面积应扣除回流所占面积，当沿程水力特性变化不大时，水流比较平稳，计算的河段可取长一些；如果河道变化较为剧烈，则应多布置些断面，计算的河段可以取的较短一些，同时靠近回水末端一段河道，既受回水影响，又受来水影响，水面变化较大，则河段断面选取可取短些[1]。
2 对确定回水长度范围的影响
2.1 末端尖灭点的确定
理论上，回水末端终点计算的简易判别式
式中，L为坝址处至回水曲线终点的距离；L0为过回水曲线在坝前的水面作一条水平线交至河底的距离；h0为原水面线在坝前的水深；ha为回水曲线在坝前的水面高度与原水面线在坝前的水面高度之差。
实际中，在判定回水末端判别标准的选取上，回水曲线与天然水面线应该有一个交点，这个交点图1 某电站回水区域各上下典型断面平面示意就是回水的末端，也叫尖灭点。理论上，回水末端应该位于上游无穷远处[5]，但目前规范中常用的判定方法，即取回水曲线与相应流量天然水面线的水位差来确定回水末端，或根据回水后水深与相应流量天然水深的比值来确定回水末端[4]。在实际工程中，根据现行《水利水电工程水库淹没处理设计规范》规定，水库回水曲线计算至回水水位高于同一断面同频率天然洪水位0.1～0.3 m 处，一般以0.3 m的标准作为判定回水末端。回水末端的判别标准的精度不仅影响回水长度的数值，在有些情况下甚至影响回水长度随流量变化的规律。
仍以上例，其不同河段下建坝前后水位变化趋势及采用垂直斩断法确定尖灭点位置见表1。
2.2 成果精度影响分析
由于水面线计算式中的水头损失只能近似的按均匀流下的沿程水头损失计算式，且以差分代替微分，并视为线性变化，因而确定河道水面线的精度与上下计算河段断面的水位差和河段间距有关。由表1 及表2 在同流量及起推水位不变的情况下，选不同河段间距进行对比分析可知：①在河段间距△L=100 m 时回水末端大约在1 800 m 处尖灭，△L=200 m 时回水末端大约在2 200 m 处尖灭，△L=300 m 时回水末端大约在2 400 m 处尖灭，尽管规范规定一般以0.1～0.3 m 的标准作为判定回水末端，从计算数据来看，对末端尖灭点位置的确定影响较大（见图3）；②河段间距较小时，建坝后水位接近于均匀流水位，符合a1型壅水水面线；河段间距较大时，水位变化较明显，相比，同河段断面时的水位或偏低或偏高；③随着河段间距选取的增大，河道底坡及水位随之发生变化，比降越陡，建坝前后水位趋于尖灭的尖灭点向后延伸，出现一个无限趋近的极值，回水长度也随之加长，淹没范围也随之变化，其回水长度对比图如图3。④建坝前后的水位差呈现线性变化，河段较短时，水位落差较小，上下断面水力要素差别不大，基本能真实反映出河道的实际情况，而河段间距逐渐增大，水位落差明显，有的地方甚至达到近1.5 m的落差，和实际河道水位存在较大误差。
水库回水计算成果是确定水库淹没处理范围的重要依据，其计算正确与否直接影响到淹没对象的实物指标以及库区淹没赔偿范围，关系到水利水电工程正常蓄水位和汛期限制水位的合理选定；而天然河道形态不规整、底坡不均匀、断面形状和大小多变、河身有弯有直、有收缩有扩散，正确合理布设河段断面及河段间距的选取成为实际设计中的关键，但要正确解决这一问题，也不是一件轻而易举的事，因为对河道流段的划分现阶段仍一般以人工方式进行，目前尚未看到有关定量处理这个问题的好办法，这就要求设计人员在确定河道上下断面间河段距离时要对已掌握的地形资料、水文资料以及水能资料等进行综合分析考虑，进而择取较为准确断面位置，为计算的精确度提供保障。
本文从实际工程案例应用出发，分别探讨了河段间距选取对确定河道比降的影响和对回水长度范围确定的影响。分析表明：在同流量同起推水位不变的情况下，河段间距选取越大，河道平均比降、末端回水尖灭点的极值趋向误差就越大，不能正确反映出河道水面线的真实情况，所以要提高回水水面线的计算精度，就要严格控制好河段间距的选取。
参考文献：
［1］吴持恭. 水力学［M］. 北京：高等教育出版社，2003.
［2］李炜. 水力计算手册［M］. 北京：中国水利水电出版社，.
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作者简介：沙成刚（1983-），男，青海西宁人，硕士研究生，主要从事水电站优化设计研究。
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