水面曲线的应用研究——以恩施市城区清江河滩地治理利用为例

秦文安，黄国洲

(恩施州水文水资源勘测局，湖北 恩施 445000)

水面曲线简称水面线,指河道水面与河道纵断面的交线.推求水面曲线是确定防洪工程和输、蓄水工程规模设计和防洪影响评价的重要依据.本文以恩施市城区清江河滩地治理利用为例,探讨恩施市防洪工程和输、蓄水工程规模设计和防洪情况,为满足防洪标准和最大利用土地提供科学依据.

1 防洪标准的确定

恩施市是恩施州政府所在地，是恩施州政治、经济、文化中心和交通枢纽.位于湖北省西南部，清江中上游，东经109°4′48″～109°58′42″、北纬29°50′33″～30°39′30″.东邻建始、鹤峰，西界利川、咸丰，南连宣恩，北接重庆奉节.东西宽86.5 km，南北长90.2 km，总面积3 972 km2总人口80万人(2010年末)，其中土家族、苗族、侗族等少数民族约占38%.根据《防洪标准》(GB50201-94)[1]的有关规定，恩施市为中等城市,防洪标准为50年一遇[1].

2 设计洪水的推求

分析河段下游,有1957年由湖北省水文局设立恩施水文站，并测验至今.恩施水文站流域面积2 928 km2与分析河段流域集水面积2 904 km2相差0.8%，在±3%以内，采用恩施水文站断面的设计洪水作为分析河段设计洪水是满足规范要求.

清江干流上游恩施水文站(在分析河段下游6 km左右)具有50年以上实测洪水资料系列的水流域上游具有40年以上资料雨量资料系列的雨量站有11个.各雨量站、水文站均系国家基本站，各年资料均按国家规范测验、整编、刊印，资料可靠，可供分析计算引用[2].

恩施水文站位于恩施城区,实测资料系列较长，且代表性较好，恩施水文站至红庙电站河段区间汇流面积小，占恩施水文站流域面积0.8%以内，同时考虑到受大龙潭水库影响后洪水资料的一致性，故采用恩施水文站的实测洪水系列(1958～2005年)及洪水调查资料推求城区清江干流分析河段各处设计洪水是合理的[3].

3 红庙电站至大龙潭铁路大桥河段设计洪水淹没线计算

3.1 水面曲线的推求

天然河道恒定非均匀流渐变流水位沿程变化微分方程[4]，由红庙电站为起算断面，由下向演算.

水面曲线的推算采用伯努利方程式推算：

Z上+(υ上2/2g)=Z下+(υ下2/2g)+hf+he[4](伯努利方程)

Z上=Z下+hf-(1-α)(υ上2-υ下2)/2g

式中：ζ:局部损失系数；α：扩散系数(υ上>υ下取0.5,υ上<υ下取0)；n：糙率系数；K：输水系数；hf：摩阻损失hf=(υ上2/2g-υ下2/2g)L/2；he：扩散损失he=α(υ上2/2g-υ下2/2g).

在求解过程中，下断面水力要素为已知，可通过迭代法依次求解上断面水位.根据恩施城区河段特性在清江干流河段(红庙电站泵站至大龙潭铁路大桥河段)选取8个实测横断面.糙率系数选用：糙率选用恩施水文站历年资料分析高水综合糙率系数，选用0.035[2].清江河段按天然河道恒定非均匀流伯努利能量方程式,采用迭代法由红庙电站设计洪水洪峰水位及流量分析上游红庙电站厂房至取水坝河段各设计洪水水面线；红庙电站取水坝至大龙潭铁路大桥河段设计洪水淹没线以水工建筑物大坝设计洪水位及相应流量向上推求分析河段设计洪水淹没线.分析河段区间汇流面积小，增加面积在3%以内，各断面均采用恩施站断面设计流量，计算成果见表1～3.

表1 铁路桥墩最大壅水高度计算表

表2 铁路桥墩最大壅水高度计算成果表

3.2 铁路大桥雍水计算

在分析计算中采用《公路桥位勘测设计规范》(JTJ062-91)[5]中推荐的壅水计算公式.

其中:h1=1m；Kn表示定床壅水系数，取hn=1.5m；Kv表示修整系数.

表6 10年一遇设计洪水最小过水断面试算结果

4 漫滩河段河堤位置和堤高的确定

旗峰坝长业水泥制品厂至铁路大桥之间河段总体顺直，没有防护堤，且在铁路大桥下游389 m河段右岸漫滩有突出，在中高水漫滩严重，对此段特殊漫滩河段做最小行洪断面分析.

分析方法：在保证河道流向不变，将漫滩地凹进部分取直为基本思路，在漫滩严重河段的取代表代表断面，假定筑堤缩小滩地宽度，用天然河道恒定非均匀流渐变流水位沿程变化微分方程试算不同设计洪水假定断面洪水淹没线，以最大缩小滩地宽度，最小抬高洪水淹没线为原则试算断面.分析漫滩河段最小行洪断面.

本次对398 m河段施测5个试算代表断面.以下游河段顺直且较窄的旗峰坝长业水泥制品厂处断面为起算断面，以上游弯道凸处的铁路大桥断面为结束断面.在中间特殊漫滩处按滩地宽窄分设三个断面.因低水影响小，本次试算P=2%、P=5%、P=10%的设计洪水试算成果如下表4～6.

表4 50年一遇设计洪水最小过水断面试算结果

表5 20年一遇设计洪水最小过水断面试算结果

为了满足城市规划和安全要求，采用五十年一遇设计洪水试算试算河岸推进距离2结果为最小行洪断面[1].

5 结论

通过治理，河堤可由右岸推进40.17 m,堤高高程422.55 m.利用河滩地40.17 m，防洪能力由原来的5年一遇提高到50年一遇标准.

[1] 国家建设部.水利部.GB50201-94防洪标准[S].北京：中国标准出版社，1994.

[2] 水利部.SL278-2002水利水电工程水文计算规范[S].北京：中国标准出版社，2002.

[3] 水利部.S1196-97水文调查规范[S].北京：中国标准出版社，1997.

[4] 水利部.DL/T5015-1996水电工程水利动能设计规范[S].北京：中国标准出版社，1996.

[5] 交通部.JTJ062-91公路桥位勘测设计规范[S].北京：中国标准出版社，1992.