明渠论计算机在明渠水面线中运用大纲

摘要：在水力学研究中，经常会用到利用水面线计算而得出的数据，传统的水面线计算方法往往计算速度慢、数据也不是很准确，会对水利工程设计产生影响，借助于计算机,在简单的程序下就可实现水面线的推求，大大解决了这一难题。
关键词：计算机；水面线；计算；重要性
众所周知，我国是一个农业大国，大部分地区都采用渠道灌溉的方法，其中很多地方因为管理不到位造成渠道渗漏水严重，普遍存在水资源浪费现象，加重了我国的用水负担。因此我国急需加强对明渠方面的研究与改造，在研究设计过程中通过对计算机的应用，大大提高了数据的运算效率和精度，促进了我国的经济建设。

1、数据采集对渠道建设的重要意义

随着社会的发展，我国用于农业生产的淡水资源日益匮乏，由于经济的发展所带来的水资源的污染问题也逐年加剧。若想有效提高水资源的利用效率，实现可持续发展战略，就必须加强节水工程建设、提高农业灌溉技术，加大对用水节水的管理力度，以提高农业灌溉用水的有效作用率。在水利工程建设中，对水面曲线的研究可以探知渠道内水位的变化和对岸坡的影响，但只对水面线做定性分析是远远不够的，渠道内是否达到清淤标准还要依靠平均流速的测定，这就需要对非均匀流断面的水力要素的变化加以研究，如对水深、断面平均流速等的计算。所以说，水面线计算是渠道水力计算的重要内容之一。
大型水利工程中，必须计算筑坝后上游河道的水面曲线。计算水面线可有效估计淹没范围，为安全地做好移民及资源保护、耕地保护提供了依据。为了宣泄水库的多余洪水需要修建溢洪道时需要计算溢洪道的水面曲线和溢洪道出口处的水深及流速，以便设计溢洪道边墙高度利用计算来提供依据。
在我国大力开发西南地区水电的同时,还要在甘肃、内蒙、宁夏等地区发展节水灌溉农业，而这些基础设施的设计施工以及运行，都需要严密的科学计算理论依据，因此在这样的要求下，对水面线计算方法进行整理推广是很有必要的。明渠由于渠底坡或糙率沿程变化，横断面几何形状或尺寸沿程改变，或在明渠上修建水工建筑物都会使明渠水深和流速等水力要素沿程改变，在明渠中形成非均匀流。人工渠道或河道中的水流大多数都属于非均匀流，因此研究明渠的计算可以对解决生产实际问题有重要意义。

2、计算机在明渠水面线计算中的方法

当前已有的国内外水面线计算方法可分为棱柱体明渠恒定流、非恒定流计算以及非棱柱体渠道。诸多计算方法中基本的算法都是基于分段求和方法，即把所要计算的水面流域划分为微小的区间，然后再利用现有的水力学计算公式进行求解，最后求和就可以得到所求流段的水面线、流段长度等水力要素。同时，当前的计算方法基本上全是对于直线型坡底进行的水面线计算。在水利工程上曲线形底坡往往能够更好的解决问题。利用现有的计算方法，很难精确计算出水面线高度，给边墙设计带来了很大的麻烦和不便。
随着计算机技术的不断进步，一些简单实用的程序被用在水面的计算上。这些程序一般简洁，省去了大量的人力。在处理一些形式的简单的渠道时及溢洪道时可以得到满足工程要求的计算精度。因此，规范的程序化将会是计算流体力学的发展方向。实际工程中，有时会出现由于渥奇面设计不合理而引起的水流流态差，使明流段水流脱离底面，形成自由射流，抛出泄槽。但是目前还没有成熟的关于渥奇面水面线计算的公式。因此，探讨一种合理有效的计算渥奇面水面线的方法，可以验证所设计的渥奇断面的合理性。对保证工程设计合理及工程安全有重要的意义。

3、计算机在明渠水面线计算方法的比较

分析计算其水面曲线的变化规律是确定明渠边墙高度及回水淹没范围的重要依据，在进行水面线计算之前，要对水面线进行定性分析，以判别水面曲线的类型，然后从控制断面开始计算。分段求和法将流程划分为若干流段，每一段用试算法求流段长度得到水面线，该法适用于棱柱体和非棱柱体渠道，计算精度与流段的长度划分有关。长度划分越小，精度越高，当然计算工作量也越大。又由于他的试算特点，给编制计算通用程序带来很大不便。数值积分法认为流段长度是水深的复杂积分函数，用数值计算的方法求解积分函数，计算繁杂。水力指数法和图解法人工工作量太大，不利于程序的自动求解。若能将其计算过程转化成相应的计算机程序，通过人机对话，推求出水面曲线的形式及相应的数据，无疑将会提高求解速度与精度，并在实际工程设计中发挥应有的作用。渠道设计水面线计算方法较多，但绝大多数渠道均为非棱柱体渠道，其断面形状及尺寸是沿程变化的，断面上各水力要素也因渠道断面沿程变化而变化，所以非棱柱体渠道每一流段均需试算，计算过程比较复杂。传统水力指数法和图解法人工工作量太大，不利于程序的自动求解团。传统方法推求水面线一般采用人工反复试算或图解法，其法计算速度慢、精度低。因此许多专家学者利用C+或VB等计算机语言结合各种数学方法编制计算机程序，将其计算过程转化成相应的计算机程序。通过人机对话，推求出水面曲线的形式及相应的数据，很大程度上提高了求解速度与精度，并在实际工程设计中发挥应有的作用。
计算机应用程序在程序编制上常将梯形、矩形断面归为一类，U形、弧形底梯形断面归为一类，弧形坡角梯形断而归为一类，程序使用比较繁琐、通用性较差，而且其输入、输出格式也比较复杂。孙铁蕾依据《渠道防渗工程技术规范》SL18一2004，利用巨Excel软件的编程计算和对数据自动处理的功能，编制建立了明渠均匀流水力计算的一种通用方法，适用于梯形、U形、弧形底梯形、弧形坡角梯形、矩形明渠断面，具有计算准确、使用简便等特点。张良然提出一种简化法计算明渠水面曲线，不必计算平均水力坡度，可使计算工作量大为减少。即用渠道的正常水深与流段的平均水深之比的x次方之值来代替平均水力坡度。
采用简化法计算结果与分段法比较，其误差非常小，在实际应用中完全可以满足工程要求。在水利灌区改造渠道设计水面线优化的实践过程中还需要在流量发生变化的时候保持相对稳定的水位，只有这样才有利于渠坡和衬砌的工程安全。节制闸虽然可以实现渠道中水位和流量控制，但节制闸的使用必定会使渠道中的水位和流量发生巨大的沿程变化。

4、结语与展望

本文总结了水面线计算的常用方法并介绍了几种新探讨的水面线计算方法，分析了各计算方法的计算原理及优缺点。现借助于计算机，在简单的程序下就可实现水面线的推求，因此还是得到最广泛的应用。积分法和图表法由于其工作比较繁琐，所以在应用上受到一定的限制。各种简化公式应用起来比较的方便，并且可以得到满足工程要求的计算精度，但是一些简化式的适用性受到一定的限制。一些只是适用于矩形明渠，而实际工程中很大部分是梯形明渠。
参考文献
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源于：毕业论文指导记录www.udooo.com

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