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河流设计水位计算（水面线）
河流设计水位（设计水位线）的计算在防洪工程规划设计中十分重要。一方面，河道水位线的计算结果决定了河段的规划设计；另一方面，水水线的计算结果也会影响堤防工程或河道治理工程的总体布局。
河水的流型根据弗劳德数分为慢流、急流和临界流三类。常用的河流水线计算方法通常分为明渠恒均流法、能量方程计算法（伯努利方程）等以及基于非定常流的数学模型计算法。通常，根据不同的工况，不同的计算方法有一定的适用条件，或者有一定的局限性，不同方法计算的水面线结果也会存在一定的差异。
因此，根据工程河流的具体情况选择合适的计算方法，一方面可以减少工作量阻力计算软件，另一方面会更加符合河流的实际情况，提高计算量。准确性。
1 曼宁公式
1890年，爱尔兰工程师曼宁提出，明渠中的流体假定为恒定均匀流和明渠中恒定的缓慢变化流。
曼宁公式又称明渠恒均流法，是河流设计水位最基本的计算方法，常用于明渠或断面规则的天然河流。连接各断面的设计水位即可作为河流的设计水位线。计算方法采用水力学的曼宁公式，计算公式如下：
式中：Q为断面流量（m3/s）； A——有效过水面积（m²）； R为水力半径（m）； i 为水面具体落差； n为河床综合粗糙度。
明渠恒均流法的最大优点是计算简单，缺点是对参数要求严格。采用明渠恒均流法，水流量应恒定，沿途流量不应变化；渠道必须是沿坡度的长而直的棱形明渠，沿途粗糙度系数不应变化，渠道内不应有水工建筑物的局部干扰。明渠匀流法虽然受到诸多条件的限制，但由于计算简单，在满足或近似满足明渠恒匀流条件的河道治理工程中得到广泛应用。
需要说明的是，采用明渠恒均流法估算河道水位线时，没有考虑下游断面水位对上游水位的影响。估算水位为河底高程与估算水深之和。另外，在计算曼宁公式时，河流粗糙度和水面落差是两个非常重要的参数。参数的选择对结果影响较大，较小的误差往往影响较大。河流粗糙度一般由实测数据获得，或采用表格计算；水面落差一般由实测数据获得，或者用勘测数据代替。因此，当河道较短、下游洪水对上游水位没有影响或影响很小、河道较平直、下切河道断面变化不大时阻力计算软件，曼宁公式可得考虑进行计算。
2 伯努利方程
1726年，丹尼尔·伯努利提出了水力计算方法。计算的基本原理和本质是流体机械能守恒，即：动能+重力势能+压力势能=常数。
利用伯努利方程推导水面线是假设河水流量根据设计流量和控制断面设计水位恒定，即常说的稳定流、不可压缩流、无摩擦流，流体沿流线流动。基本方程如下：
Z1+(αv1)/2g=Z2+(αv2)/2g+hw
式中：Z1、Z2为上、下断面水位（m）； v1、v2为上、下段流量（m/s）； g为重力加速度（m/s²）； hw 为两断面之间的距离水头损失（m）。
伯努利方程是基于能量守恒定律和流动阻力定律的方程，适用于计算低速、不可压缩流体的稳定流动。伯努利方程是一种计算从下游到上游水位的方法。下游起始水位常可作为下游洪水的配套水位。因此，常被用作下游河流的防洪水位或拦河建筑物的回水曲线。计算。
实际工作中，由于平原河流一般纵坡较小，断面不规则，因此在水利工程建设中可以采用伯努利方程计算平原河流的水位线。当河流断面数据较少、计算精度要求较低时，采用伯努利方程计算水面线较为简单，结果也更加简洁明了。但这种计算方法只能适用于一般缓流河流的来水。不建议直接计算桥梁、涵洞等建筑物的水位。因此适用条件比较有限，只能用于简单的河道计算。
3 Mike11系列软件
20世纪60年代和70年代，丹麦液压研究所（DHI）开发了Mike系列软件。经过多年的迭代升级，已逐渐成为河流及航道水力学动态模拟的世界级标准，具有无限的河流模拟能力，包括Mike11、Mike21、Mike3、MikeFlood等。其中，Mike11主要应用于一种河口、河道、河网的流量、水质、泥沙运移等多维水动力水质模拟。它已广泛应用于水利设计中的水面线计算。 Mike11 使用 Aboot-lonescu 六点隐式差分格式来求解 Saint-Venant 方程。控制方程如下：
(1)
(2)
式中：A为水体截面积（m）； t 为时间（s）； Q为流量（m3/s）； g为重力加速度（g/s²）； h为水位（m）； C为斜彩阻力系数； R——过水断面的水力半径（m）； q 是单元过程的侧向流出流量（m3/s）。
Mike11是专门为水资源工程设计而开发的计算机程序。可用于计算复杂水利系统和不同条件下的水面线。可以设置滩地和河道的粗糙度来计算河网中干流到支流入口处的洪水支持，适合复杂的河流水力计算。计算结果可视化，方便实时查看水位计算结果，各断面水位更直观。此外，Mike11模型可以自动判断和调整河流中可控建筑物的运行模式（如闸门开启高度、闸门流量等），包括水闸、橡胶坝、水泵等。
因此，Mike11模型对于各种实际工程情况具有更丰富、更高效的仿真能力；不同的软件模型对粗糙度的敏感度有一定的差异。实际工作中，当河段河床粗糙度变化较大时，建议选择Mike11模型进行水面线估计。相应地，使用Mike11模型对河道水位线进行分析计算时，对河道基础数据的要求较高，建模过程也较为复杂。
4 Hec-Ras系列软件
Hec-Ras是美国工程兵团水文工程中心编写的河道分析系统软件。其1.0版本于1995年左右开发，现已升级至6.0版本。软件支持一维恒流和非定常流计算，可以模拟桥梁、涵洞、堰、堤坝、堤坝等与水有关的结构。广泛应用于水利设计、涉水桥梁等领域。 Hec-Ras适用于河道中的一维恒定流和非恒定流计算。功能强大，广泛应用于国内外天然/人工河流水面线计算。
恒流面的计算基于一维能量方程，计算公式如下：
Z2=Z1+he+(α1(V1^2)/2g-α2(V2^2)/2g)
式中：Z2、Z1为上、下游断面水位； V2、V1为上、下游断面平均流速； α1、α2为流速不均匀分布系数；他是水头损失； g是重力加速度。
非定常流计算基于一维连续性方程和动量方程。该模块可用于模拟河网一维非定常水流过程。可以考虑与水有关的建筑物，如桥梁、涵洞、泵站、堰和溢洪道。该模块用于河流流域。它在防洪规划中有广泛的用途。此外，该模块还可以与其他水质模型结合使用，对水环境进行模拟和预测。非定常流模块采用UNET模型（Barkau，1992和HEC 1997）。基本方程包括连续性方程和动量方程，采用四点隐式有限差分法求解。
计算公式如下：
式中：ρω为水的密度； Vi 为截面流速； χi 和 χj 是距离； p是压力； fi 是质量力； v 是流体运动的粘度系数。
Hec-Ras最大的特点和优势是免费。 Hec-Ras是一套完整的用于水文和水资源模拟的河流水力计算程序。它具有耦合水工结构（大坝、堤坝、堰、桥梁、涵洞等）的能力，可以计算多种流型。 Hec-Ras软件受河断面变化影响较小，可用于山区河流水位估算。在建模过程中，使用Hec-Ras模型创建河流水工建筑物等操作比其他模型更加方便，计算结果也非常直观。与Mike11模型相比，Hec-Ras模型构建河网的难度更大。整合section时，从下游到上游的输入比较麻烦，而且容易出错。实际计算中，如果河床侵蚀速率对水利工程建设影响较大，可以采用Hec-Ras模型进行计算。
小的
结
因此，在计算断面比较规则的平坦缓流河流时，如果不考虑河道建筑物的影响，采用伯努利方程处理数据比较简单，计算结果也容易处理。如果考虑河流建筑物对水面的影响，建议使用Hec-Ras软件进行建模计算。建筑建筑物比较简单明了；如果计算涉及干支流河网水面相关计算，建议使用Mike11进行施工。模块化分析。在计算纵坡较陡的山地河段时，应根据实际工况选用Hec-Ras软件或Mike11软件进行建模分析计算。
四种不同河流水面计算方法在适用条件、计算原理、计算条件等方面存在一定差异。每种方法都有自己的特点、准确性和适用范围。为了提高水面线计算的准确性和准确度，有时需要根据实测水位或实测水位多种方法进行计算并相互验证，以保证结果的可靠性。
随着科学技术的不断发展，未来水面计算将朝着更高精度、更快速、更智能的方向发展。同时，随着大数据、云计算和地理信息技术的融合和应用，水面计算将在防洪减灾、水资源管理和生态保护等方面发挥更加重要的作用。因此，需要不断探索和研究新的水面线计算方法，以满足水利工程实践不断变化的需求。
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审稿人：彭山
