九洲江出海口段水面线计算

崔 珏，张 颖

（广东珠荣工程设计有限公司，广东 广州 510610）

设计水面线推求是堤防工程建设的基础数据，是水文规划设计的重要内容。近年水面线计算应用研究主要在山区河道[1]、城区河道[2]以及渠道[3]，而对分叉型河道则较少。本文以九洲江出海口段为例，采用不同的计算软件对分叉型河道水面线进行计算，并进行成果分析。

1 工程概况

九洲江发源于广西陆川县，在广东省廉江市的东北部流入，由北向南，流经广西陆川到廉江市石角镇入境，再流经河唇、吉水、石岭、新民、横山、安铺、营仔等7个镇，流域面积为3 337 km2，干流河长为162 km，河床平均比降0.47‰。九洲江干流在横山镇附近一分为二出海，其中一条为营仔河向西流经营仔汇入北部湾英罗港，河长15.49 km（从营河镇西塘灶出海口处开始向上游至营河和安铺河分河口处，桩号为 YZ0+000～YZ15+490），另一条安铺河向南流经安铺镇、黎头沙汇入北部湾英罗港，河长15.9 km（从安铺镇谭蓬村北开始向上游至营河和安铺河分河口处，桩号为AP0+000～AP15+900）。营仔河、安铺河下游出海口属于感潮河道，现状安铺河、营仔河上分别建有高墩水闸、营仔河水闸两座挡潮节制闸以及安铺桥、营仔桥两座跨河桥梁，九洲江廉江段流域水系详见图1。

图1 九洲江廉江段水系图

2 防洪潮标准

九洲江廉江段工程保护区主要由江州围、博榄围、六东围及龙西围等四宗连续的大围组成，保护面积820 km2，保护人口27万人，保护农田26.5万亩。其中江州围堤防为营仔河南边堤与安铺河北边堤所包围的范围，主要防护区的人口约4.1万人，农田面积为5.4万亩；博榄围为营仔河北边堤、九洲江北边堤及沙铲河西边堤所形成的堤围，防护区的保护人口约4.8万人，农田面积为4.4万亩；六东围主要为防护区的人口约9.6万人，农田面积为7.7万亩；龙西围防护区的人口约8.5万人，农田面积为9.0万亩。根据GB 50201-2014《防洪标准》、SL 252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》以及《广东省廉江市江河流域综合规划报告》（1999年12月）规定，九洲江干流下游（即安铺河与营仔河）的设计防洪潮标准为20年一遇。

3 水面线计算软件与计算方法

3.1 水面线计算软件

（1）HydroLab软件

HydroLab软件是广东省水利厅建设管理中心、广州沃亚软件有限公司联合开发的水文水利设计计算软件，是广东省水文工作计算的重要工程。HydroLab软件的原理是明渠恒定均匀流，基于伯努利能量方程来推算，比较适合天然河道，可以根据河道断面的情况和流量，推求河道的水面线。还支持对包含复式断面、河道扩大缩小，桥墩雍水、急转弯等特殊断面的河道水面线计算[4]。

（2）HEC-RAS软件

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的水面线计算软件，其可以进行河道稳定和非稳定留一维水力计算。软件可以对恒定流和非恒定流河道进行模拟，也可以对桥梁、水闸等特殊断面进行模拟。

3.2 水面线计算方法

设计河道水面线采用一维恒定非均匀流公式计算，计算公式如下

式中：Z1、Z2—分别为下游断面和上游断面的水位，m；

hf—为上下游断面之间的沿程水头损失，m；

hj—为上下游断面之间的局部水头损失，m。

设计河道水面线计算按上式子由下游向上游逐段推求。

当采用HydroLab软件计算遇到闸坝时，闸坝过流能力均采用SL 265-2017《水闸设计规范》中堰流计算公式：

式中：Q—设计流量，m3/s；

m—流量系数；

ε—侧收缩系数；

σ—淹没系数；

B—过水总净宽，m；

H—堰上总水头，m。

翻板闸、坝综合流量系数m取0.35；平板闸流量系数m取0.385。其他参数根据相关规范及水力计算手册进行查算。本次计算涉及的有高墩水闸、营仔河水闸共2座；营仔河水面线计算中涉及到的闸坝有营仔河水闸、安铺河水面线计算中涉及到的闸坝有高墩水闸。这2座闸坝根据相关设计资料按照堰流过流公式分别进行计算上下游水位差。

当采用HydroLab软件计算遇到桥梁时，桥墩壅水采用铁科院李付军公式，公式如下：

式中：ΔZ—壅水高度，m；

Vm—桥下平均流速，m3/s；

Vom—建桥前桥孔部分天然状态下平均流速，m3/s；

R—考虑桥墩和桥台影响的反映桥孔缩窄程度的系数，R=Vm/Vom；

K—考虑冲刷影响的流速（动能）折减系数。

营仔河水面线计算中涉及到的桥梁有营仔桥、安铺河水面线计算中涉及到的桥梁有安铺桥。这2座桥梁根据相关设计资料按上式分别进行计算上下游水位差。

4 软件计算设置与基本参数选取

4.1 软件计算设置

HEC-RAS软件可以对桥梁、水闸进行模拟，计算前输入河道实测断面以及设置建筑物基本参数即可进行模拟。HydroLab软件不具有模拟建筑物的功能，当遇到桥梁和水闸时，因先推求桥下和闸下水位，通过桥梁壅水公式和堰流公式计算得桥上和闸上水位，再采用伯努利方程向推求河道上游水面线。

4.2 基本参数选取

（1）控制断面与设计洪水

水面线计算的控制断面采用2013年的实测资料，断面平均间距为500 m，安铺河河长15.9 km，共有35个断面，其中特殊断面包括有1个桥梁断面（桩号 AP11+500），1 个水闸断面（桩号 AP15+200），3 个弯道断面；营仔河河长15.49 km，共有34个断面，其中特殊断面包括有1个桥梁断面（桩号YZ1+200），1个水闸断面（桩号YZ10+300），7个弯道断面。

九洲江出海口段设计洪水计算，考虑了上游大型水库-鹤地水库的调蓄影响，建立鹤地水库、控制水文站以及水库与水文站区间的洪水地区组成关系成，根据实测水文资料并考虑历史洪水的影响，按水文比拟法推求得到控制断面的洪峰流量，计算成果如表1。

表1 九洲江出海口设计洪水成果表

（2）起推水位与频率组合

九洲江出口面临北部湾，无潮水位观测站，附近有北海水文站，广西北海水文站均为北部湾海域，因此九洲江出口潮位可用北海站实测潮位代替设计成果见表2。

表2 北海站设计高潮水位成果

安铺河和营仔河的水面线计算考虑以下两种工况：

1）以潮水为主的水面线洪潮组合工况

采用九洲江营仔河或安铺河5年一遇设计洪水成果遭遇河口北海站20 年一遇高潮位。

2） 以洪水为主的水面线洪潮组合工况

采用九洲江营仔河或安铺河20 年一遇设计洪水成果遭遇河口北海站5年一遇高潮位。

分别计算两种水面线组合工况，取两工况的外包线作为设计水面线成果。

5 水面线计算成果及分析

分叉型河道水面线计算的关键是通过不断的试算，率定糙率并确定分流比，由河道下游往上游推算水面线，最终计算得出两分支在分叉口的水位相等，即完成河道水面线计算。分叉型河道的河道糙率率定与分流比确定一并进行。

（1）糙率率定与分流比确定

九洲江干流有缸瓦窑水文站，位于安铺河与营仔河河道分叉口上游约3 km，根据2013年缸瓦窑水文站实测水位流量对营仔河和安铺河河道糙率进行率定验证，两软件推求得出该河段糙率为0.034，与1995年7月广东省水文总站和湛江市水文分站《九洲江缸瓦窑设计洪水分析》中率定河道糙率0.033较为接近，由于本次计算采用最新地形资料，因此以本次计算率定成果为准，安铺河与营仔河河道综合糙率为0.034。

九洲江出海口各频率的设计流量按不同比例分配设计流量，根据营仔河与安铺河的水位两河交叉口处同频率对应的水位相等特定条件下，充分考虑营仔河、安铺河的弯道损失系数，通过对营仔河与安铺河水面线不断试算，从而求得九洲江在营仔河、安铺河各频率的分流比。

表3 安铺河、营仔河各频率分流比成果

（2）设计水面线成果

由附图2与附图3可知，采用HEC—RAS与HydroLab软件的水面线计算成果在安铺河和营仔河平均水位差分别为-0.29 m和-0.26 m，最大水位差分别为-0.60 m和-0.54 m，最小水位差均为-0.01 m，计算成果比较接近，且水面线变化趋势基本一致。HEC—RAS软件计算安铺河和营仔河分叉口水位差为0.02 m，而HydroLab软件计算差值为0.01 m。基本满足分叉口的水位相等的计算条件。由于两种计算软件计算出两河流的水面线成果相差不大，成果基本合理，从工程安全角度考虑，推荐使用HydroLab软件计算的成果。

图2 安铺河20年一遇的设计水面线成果

图3 营仔河20年一遇的设计水面线成果

6 结论

（1）分叉型河道水面线计算的计算步骤和次数较一般河流复杂，需通过不断的试算，率定河道糙率与确定设计频率分流比，满足分叉口水位基本相等的条件。计算时可采用多种软件计算，综合分析选取成果。

（2）HEC—RAS与HydroLab软件在分叉型河道的水面线计算成果相差不大，HydroLab比HEC—RAS软件计算成果偏高0.26～0.29 m，从工程安全角度考虑，建议使用HydroLab软件进行水面线计算。