恒定非均匀流法计算水库回水时应注意的几个问题——以落久水利枢纽工程为例

杨庆文

（广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院 广西柳州 545005）

恒定非均匀流法计算水库回水时应注意的几个问题
——以落久水利枢纽工程为例

杨庆文

（广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院 广西柳州 545005）

水利水电工程的建设会壅高河道水位，造成库区淹没。库区回水计算是确定库区淹没范围的主要依据，是库区征地移民规划的基础性工作。恒定非均匀流是计算水库回水的常用方法之一。结合同行经验，本文以落久水利枢纽工程为例，归纳提出采用恒定非均匀流法计算水库回水时应注意的几个问题，以提高水库回水计算的精度。

库区淹没；回水计算；恒定非均匀流；落久水利枢纽工程

根据水利计算规范，计算水利水电工程库区回水的方法有：分段恒定流方法、非恒定流方法。在一般山区河道，恒定非均匀流法仍是常用的回水计算方法，广泛应用于山区河道水库工程库区回水计算。推算出汛、枯期各种不利组合的回水水面线，以其外包线作为回水成果，作为确定库区淹没范围的依据。

结合同行经验，本文以落久水利枢纽工程为例，归纳提出采用恒定非均匀流法计算水库回水应注意的几个问题，以提高水库回水计算的精度。

1 恒定非均匀流法的原理和公式

恒定非均匀流法计算回水，常采用分段试算法。①将库区河段划分成一定数量的河段，剖测出各断面的水位～面积～水力半径参数；②根据水库调洪计算过程，确定各种不利情况下的坝前水位～流量组合，作为起推参数；将率定后的断面糙率等参数输入回水计算公式，向上游逐断面推算回水水位。

（1）计算公式——伯努利方程：

由（1）、（2）、（3）式推得：

式中：Z1，Z2——下游、上游断面的水位（m）；

α1，α2——下游、上游断面的流速不均匀系数；

V1，V2——下游、上游断面的流速（m/s）；

g——重力加速度（9.81m/s2）；

hf，hj——沿程、局部水头损失（m）；

if、△l——上、下断面间的水力坡度、河段长度（m）；

Q——计算河段的流量（m3/s）；

（2）试算过程

①根据已知的下游断面水位Z1查水位～面积、水位～水力半径、水位～糙率成果曲线，得到下游断面A1、R1、n1，计算下游断面K1、V1均。

②假定上游断面Z2假定，查出A2、R2、n2，计算上游断面K2、V2均。

④根据上、下游的流速V1均、V2均判断局部水头损失系数ξ的取值。

⑤将各参数带入（4）式，计算上游断面水位Z2推求。

⑥判断：若 Z2假定-Z2推求<0.001m，则满足精度要求，计算结束，上游断面水位取Z2假定；若 Z2假定-Z2推求>0.001m，则不满足精度要求，需转入步骤②重新计算，采用二分法重新假定上游断面水位，直至成果满足精度要求。

2 应注意的几个问题

采用试算法计算库区回水水面线，应注意处理好几个问题：

（1）河段合理划分和断面合理布设。

①河段划分原则是使计算河段上下两断面水利因素的平均值基本能代表该河段情况。当有较大支流汇入时，需在汇入口设置断面，划分出支流汇入口上、下游河段，分别采用支流洪水汇入前、后流量作为河段流量。

②下游的河道断面间距可远些，使上下游断面水位差在1m左右；随着河道比降的增加，中上游河道断面间距要适当缩小，确保下游断面水位高过上游断面河床高程一定高度，避免试算出错。若出现错误，应增加断面重新计算。

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③断面布设时，应尽量选择断面形状规则、河道顺直的位置，确保上下游断面的形状、尺寸、岸坡形式无剧烈变化。如遇到河道状变化剧烈、有较多弯道、急滩时，应加密断面。

（2）合理考虑局部水头损失。

一般情况下，河道顺直、断面变化不大时，可不考虑局部水头损失。但山区河道经常会出现河道突然缩窄、突然扩大、急弯段、出现特大礁石或石梁等情况，会引起涡旋等复杂流态，产生较大的局部水流阻力。此时，局部水头损失较大，需要考虑局部水头损失。

（3）合理率定断面糙率

断面糙率在回水计算时十分敏感，是最重要的影响因素之一。确定糙率的方法有查天然河道糙率表、水文站糙率分析和实测洪水水面线率定等。实测洪水水面线率定法资料要求最多，能很好反映实际情况，反推的糙率精度高。应尽可能采用该方法率定糙率。

①进行详细地历史洪水调查，确定可靠洪痕点，测出历史洪水水面线。条件允许的情况下，应尽可能调查多场次、不同量级的洪水水面线。

②自下游向上游逐断面假定断面糙率分布曲线，拟合各场次历史洪水水面线，反复率定出合适的断面糙率。

3 落久水利枢纽回水计算

广西柳江防洪控制性工程——落久水利枢纽工程位于广西柳州市融水苗族自治县境内的柳江流域融江支流贝江下游，距下游融水县城约13km，距下游柳州市约121km。落久水利枢纽工程是以防洪为主，兼顾灌溉、供水、发电、航运等效益的综合利用工程。落久水库正常蓄水位153.5m，水库防洪高水位161.0m，汛期限制水位142m，总库容3.46亿m3，防洪库容2.5亿m3，兴利调节库容1.14亿m3。枢纽主要由碾压混凝土重力坝、发电引水系统、电站厂房、榄口副坝和灌溉、供水引水系统等组成。

（2）回水计算

①河段划分

落久水利枢纽库区有三条较大支流——香粉河、都郎河、新寨河，其中香粉河与都郎河都在四荣乡汇入干流。因此，将库区干流划分为三个河段：坝址～四荣乡河段、四荣乡～新寨河河段、新寨河上游河段。

根据贝江干支流的河道情况，干流布设65个断面，三条支流布设149个断面，断面间距在0.047～2.282km。水库回水河段分段示意见图1。

图1 水库回水河段分段示意图

②局部水头损失系数

根据经验，河道收缩时（即V1>V2时），局部水头损失很小，可忽略；当河道逐渐扩散（即V1

③糙率率定

由于贝江两岸居民点较高，仅调查到“1996年7.16”特大洪水水面线。结合柳州水文站1996年“7.16”洪水水面线调查和我院2009年、2013年补充调查，共调查15个可靠洪痕点，作为贝江96年洪水水面线。

采用1996年洪水水面线对各断面糙率进行率定：①以勾滩水文站（一）站断面为起推断面，确定起推水位（128.93m）和洪峰流量（6280m3/s），假定坝址断面糙率。②从下游往上游逐个假定各个断面的糙率，带入水面线计算程序中试算，算出各断面的拟合水位。③若拟合水位与1996年水面线水位相差大于设定的精度（本次设为0.3m），重新假定糙率，再次试算，直至拟合水位与1996年水面线水位相差小于设定精度，假定糙率即为所求断面糙率，成果见表1、图2。

（3）回水成果合理性分析

在对以上注意问题进行详细分析基础上，计算出落久水库回水成果。经对比分析，回水成果具有以下特点：①库区回水高于天然水面线，水面比降较平缓。②同一坝前水位，小流量水面线低于大流量水面线；流量越大，坡降越陡，回水末端越近；流量越小则反之。③同一流量，坝前水位低的水面线低于坝前水位高的水面线；坝前水位越高，坡降越缓，回水末端越远。④同一断面，较高坝前水位的两个设计流量的水位差，小于较低坝前水位的水位差；两个断面在同一流量的两个不同坝前水位时，上游断面的水位差小于下游断面的水位差。⑤同一坝前水位和流量，回水水面线离坝址越近越平缓，并以坝前水位水平线和同一流量天然水面线相交线为渐近线。

表1 拟合1996年洪水水面线及糙率率定成果

图2 糙率率定后拟合1996年洪水水面线图

回水成果符合水面线计算的一般规律，合理可用，通过审查。

4 结语

采用恒定非均匀流法计算山区河道回水，方法成熟简单，结合计算机编程，可快速试算出回水成果。关键在于各项参数的合理确定，上文提出注意的河道划分、局部水头损失、糙率率定等问题，应科学、实际地分析处理，使回水计算成果准确合理，为确定库区淹没影响范围提供准确的依据。

[1]李炜.武汉大学水利水电学院、水力学流体力学教研室.《水利计算手册》.中国水利水电出版社，2006，6.

[2]电力工业部成都勘测设计院主编.水能设计.电力工业出版社，1981.

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1004-7344（2016）15-0106-02

2016-5-10

杨庆文（1982-），男，汉族，广西融安人，中级工程师，本科，主要从事水文及水利规划工作。