圩区河道(网)水利计算
圩区治水措施基本上是天然人工河道(网)的新建、改建和整治,这些都离不开河道(网)的水利计算。例如整修堤防中堤距和堤顶高程的确定,联圩前后的河道(网)泄洪能力或水位变化的复核与拟定,新开河道(网)和修建撇洪沟,规划分洪道、减河以及除涝排水河道(网)等,都要进行河道(网)的水利计算。
(一)河道(网)水利计算的任务和内容
圩区河道(网)水利计算的任务是根据规划要求,拟定治理措施和方案,选定设计标准,推求设计流量和设计水位,确定河道(网)及有关排水闸、抽排站的工程尺寸,为方案比较等提供依据。
前已述及,圩垸是指围有河道并建有堤防保护的区域。圩垸以外的河道(网)称外河(网),圩垸内的河道(网)称内河(网),不同的河道(网),其任务和水利计算内容是有区别的。一般地说,外河网主要承担防洪、排涝、航运和灌溉等任务。河道过水能力由防洪要求确定,其水利计算通常包括:根据上游和区间来水进行河道洪水演算,以推求各河段设计洪水,并计算相应的设计水面线,确定堤顶高程和堤距等,其中主河槽断面尺寸还要考虑航运和排渍等要求;内河网主要承担排涝滞涝和控制地下水位任务,兼顾通航、养殖、灌排两用的河网还起引水灌溉作用。河网布置和纵横断面设计要满足上述要求。一般骨干河道的断面大小,主要由排涝滞涝任务确定,而深度主要由控制地下水位和通航要求确定。另外,圩内常有一定湖泊滞蓄涝水,内河网与外河连接处建排水闸和抽排站,因而内河网计算应考虑河网、湖泊、排水闸和抽排站的联合运行。
(二)河道(网)水利计算的方法
圩区河道(网)水利计算方法与河道水流特性有关。感潮圩区的河网,其水流为非恒定流,其流速随时间和沿程的变化都较大,因而须按明渠非恒定流计算;而一般圩区,即非感潮圩区的河道(网)水流,有恒定流和非恒定流两种情况,但这类河道(网)非恒定流的流速,随时间和沿程变化都较小,可以近似地看作恒定流,因而这些圩区的河网,常按恒定均匀流或恒定非均匀流计算。
1.一般圩区河道网水利计算
主要指沿江滨湖的非感潮圩区。这类圩垸内地面高程常低于汛期外河水位,圩内要有一定河网或湖泊容积蓄水,涝水经滞蓄后再由抽排站排出;或利用外河水位短期回落,由排水闸抢排。根据河道(网)所承担的主要任务,确定其水利计算方法。
(1)以排除涝水为主的河道(网)。对于河道河底有一定比降,流向基本稳定,主要起输水作用的骨干河道(网),其各河段的设计流量一般可根据设计排涝模数乘以排水面积确定。而当河道与湖泊相连时,则须通过水文计算确定由斗(农)沟进入骨干河道(网)的设计入流过程,然后进行河道洪水演算,推求各河段设计洪水过程,以其洪峰流量作为河道设计流量;并且在求得入湖径流过程后,进行湖泊调节计算,确定湖泊下游泄流河道的设计流量。当河道出口处需建排水闸和抽排站时,该河道的排水能力要与闸、站的设计流量相适应。
(2)以滞蓄涝水为主的河道(网)。当圩区地形很平直,河道(网)中骨干河道河底比降很小(甚至为零),水流流向不定,河道(网)滞蓄能力较大时,可将河道(网)概化为一个等容积的湖泊。通过水文计算,确定进入河道(网)的设计洪水过程,并对湖泊进行蓄涝、排涝演算,求得在设计标准下不同河网尺寸的滞蓄水量和相应的闸、站设计流量与工程规模。
不论采取哪种算法,都要组合若干种布置方案,通过技术经济比较择优选取。
2.滨海圩区河道(网)水利计算
滨海感潮地区的河道水流为不恒定流,可采用法国科学家圣·维南于1871年提出的明渠不恒定流偏微分方程组进行计算:
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式中 Q——流量;
z——水位;
u——断面平均流速;
R——水力半径;
g——重力加速度;
B——水面宽;
x——流程坐标;
t——时间坐标。
此方程反映了一个河段中各水力要素之间的关系,是明渠不恒定流的基本方程。利用这一方程,可以在一定边界条件下求解河道(网)各指定断面的水位、流量(或水深、流速)等。由于河网是由许多直河段通过汊口连接而成的,汊口的水流状态由汊口连接方程表示,故感潮河网的水力计算主要是求解由直河段的圣·维南方程,汊口连接方程和已知边值的边界方程所组成的联立方程组。当河道上设有挡潮闸时,方程组还包括过闸流量方程。求解圣·维南方程的方法有特征线法、差分法等,由于电子计算机的应用,求解河网不恒定流方程组的方法正在不断发展。
感潮河网的水力计算,是在已知河道尺寸条件下进行的,一般是针对各种河网布置方案,假定不同河道断面尺寸进行计算。由于河网中河道众多,不可能针对每条河道进行计算,必须对实际河网进行概化。概化的方法有两类,一是区间径流的概化,二是计算模型的概化。
(1)区间径流概化。只对河网中较大的骨干河道进行计算,而对那些调节容积不大的河网,可将其参加计算的水流,概化为一旁侧入流过程,分别注入不同的计算河道,作为区间径流修正。
(2)计算模型的概化。当河网调蓄容积较大,而水系紊乱,并夹有分散小湖时,可将整个河网根据地形、河道分布、堤防和道路等情况,概化为一个个小湖泊,中间由河道相连接。假设每个小湖只有水位变化,没有水流流动;而连接河道只有流量变化,无调节作用,故称分片平湖法。由概化湖泊的连续方程和概化河道的动量方程组成基本方程组。
河网布局和尺寸与圩区其他各项工程措施,如排水闸、抽排站、湖泊等的布局和规模有关,除少数情况外不宜单独加以确定。随着系统分析和电算技术在圩区规划中的应用,河网水利计算可与湖泊、排水闸、抽排站等其他措施的水利计算结合进行,并在总体最优基础上选择河网的布局与规模。
以上介绍的是圩区河道(网)水利计算。实际上,无论是圩区或山丘区,南方或北方,进行农田水利规划全都离不开河道(网)整治及其水利计算,以上内容同样适用于其他地区。