Research on the Calculation Method of Water Resistance Ratio for River Related Construction Projects

XU Wei, HU Xiao-zhang, ZOU Hua-zhi, PEI Shao-feng

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节水灌溉
China Rural Water and Hydropower ›› 2025 ›› (3) : 90-94. DOI: 10.12396/znsd.240862

Research on the Calculation Method of Water Resistance Ratio for River Related Construction Projects

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Abstract

Rivers carry water resources and are channels for material and energy transfer. The management of river-related construction projects is an important part of ensuring the flood control， drainage， and stable river conditions of rivers. The water resistance ratio is an important control indicator for river-related construction project management， and the study of its calculation method is of great significance for controlling the impact of river-related construction projects. The traditional water resistance ratio， also known as the structural water resistance ratio， refers to the proportion of the cross section area of the river occupied by a river-related construction project at a certain design flood level. The article reveals the inadequacy of the current structural water resistance ratio in reflecting the degree of obstruction of water flow dynamics propagation in river related construction projects. The structural water resistance ratio weakens the flood control impact of river-related construction projects near the main channel of the river， and over-reflects the flood control impact of river-related construction projects near the shallow shoals of the river. On the basis of the structural water resistance ratio， combined with the hydrological properties such as water depth and flow velocity of the river， the article proposes a hydraulic water resistance ratio. The hydraulic resistance ratio refers to the proportion of the flow of the cross section occupied by the river-related construction project to the total flow of the entire river section at a certain design flood level. Compared with the structural water resistance ratio， the hydraulic water resistance ratio more effectively reflects the degree of obstruction of water flow dynamics propagation in river related construction projects， and the calculation method is simple， which can compensate for the shortcomings of the structural water resistance ratio. This article suggests incorporating the hydraulic water resistance ratio into the control indicators of river related construction projects， effectively controlling the degree of impact of river related construction projects on river flood discharge.

Key words

river-related construction projects / river channels / sructural water blocking / hydraulic water blocking

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XU Wei , HU Xiao-zhang , ZOU Hua-zhi , PEI Shao-feng. Research on the Calculation Method of Water Resistance Ratio for River Related Construction Projects. China Rural Water and Hydropower. 2025, 0(3): 90-94 https://doi.org/10.12396/znsd.240862

0 前 言

河道是水资源的重要载体，主要形式包括河流、湖泊、水库、行洪区和蓄滞洪区等。河道是一种宝贵的自然资源，具有防洪排水、灌溉供水、景观文化、生态环境等功能。为了维护河流、湖泊等水体健康、行洪畅通、河势稳定，各地依据法律法规划定河道管理范围。河道管理范围内建设项目，即涉河建设项目，须报经河道主管机关批准。在新时期治水思路下，涉河建设项目管理得到加强，其审批与建设将更加规范化［1］。
随着我国城市化进程不断加快，基础设施整体水平实现跨越式提升，有力的保障了社会经济的发展。其中涉河建设项目数量逐年增加，尤其在经济较为发达且河湖遍布的区域，如长江三角洲、珠江三角洲等地区［2］。经济社会发展与水资源息息相关，因而涉河建设项目总量在未来只增不减。为进一步规范管理涉河建设项目，河道管理范围内建设项目技术规程及防洪评价编制导则等技术性文件应给出更具科学性的控制性指标及计算方法［3，4］。
涉河建设项目可能占用过水断面一部分面积，从而引起河道上游水位壅高，并影响河道的河势。涉河建设项目对河道影响程度取决于建设项目构筑物布置和河道形态。通常，水动力数值模型应用于计算涉河建设项目对河道壅水和河势影响程度，但规范文件并未明确河道水位、流速和流向变化程度应控制在什么范围［5-8］。
而从一定程度上，阻水比可以反映出因涉河建设项目占用过水断面引起的影响，并且规范文件中明确指出阻水比控制的数值［9］。在河道中构筑物尽量采用流线型或者圆型情况下，涉河建设项目自身形态对河道的影响被削弱，阻水比与涉河建设项目对河道的影响程度相关性被迫强化。因此，在涉河建设项目管理技术性文件中，阻水比被赋予了最重要的控制性指标之一。阻水比计算方法的探究，对控制涉河建设项目影响具有重要意义。
在以往的计算中，阻水比通常指涉河建设项目占用河道过水断面面积的比例，即结构阻水比。根据实际涉河建设项目防洪评价的经验，建设项目结构与水流方向经常存在斜交的情况。为更合理反映涉河建设项目产生的影响，结构阻水比需要采用投影面积法来统计［10，11］。此外，根据规范文件，涉河建设项目距离较近，存在阻水叠加效应，河道上、下游50 m以内的涉河建设项目需要通过投影面积法计算叠加结构阻水比。
对于既定的工况下，结构阻水比越大，涉河建设项目对河道影响越大。而现实中相同结构阻水比条件下，建设项目在河道中位置不同，其对河道影响也不相同。在河道同一过水断面中，不同位置的流速和水深大不相同［12］。从业者开始意识到涉河建设项目的阻水效应与水流动力传播有密切的联系［13］。于是，单宽流量的概念被引入，用于辅助判断涉河建设项目阻水效应。遗憾的是，单宽流量背后的水流动力传播并没有及时被挖掘。此后，从业者又试图以涉河建设项目的桩柱绕流阻力与原河道水动力比值代替结构阻水比，并阐明了阻水比计算考虑水流的能量传播时更加合理［14］。虽然突破了以往结构阻水比的束缚，但受到专业的限制，阻力比难以刻画出阻水比的河道水文属性。因此，本文着重考虑河道水文属性，以结构阻水比为基础，加入水流动力的因素，更新阻水比计算方法，为涉河建设项目管理提供技术支撑。

1 阻水计算方法

目前，结构阻水比常用来衡量涉河建设项目阻水大小，可从一定程度反映了建设项目对河道的影响。为了更好地反映涉河建设项目对水流动力传播的阻滞程度，本文在结构阻水比计算方法的基础上提出了水力阻水比。

1.1 结构阻水比

结构阻水比是指在某设计洪水位下，涉河建设项目占用河道过水断面面积的比例。在涉河建设项目与水流方向斜交或建设项目距离较近时，结构阻水比采用投影面积法计算。
f=A占/A总
式中：f为结构阻水比；A 占为涉河建设项目占用河道过水断面面积，m2；A 总为河道过水断面面积，m2。

1.2 水力阻水比

河湖管理加强后，河道中构筑物被要求采用流线型或者圆型。阻水比在控制涉河建设项目影响方面更能起到至关重要的作用。而结构阻水比尚未考虑水深、流速等水流动力的因素，在相同结构阻水比条件下，涉河建设项目对河道影响存在较大差异，难以准确反映涉河建设项目对水流阻滞程度。为弥补结构阻水比的缺陷，规范中规定涉河建设项目构筑物应避开河道主槽，以免对河道行洪产生较大影响。但规范中并未明确河道主槽范围，因而无法形成定量的控制。
为此，在结构阻水比计算方法的基础上，考虑河道断面水深、流速等影响水流动力的因素，本文提出水力阻水比。水力阻水比指在某设计洪水位下，涉河建设项目占据的过流断面的流量占整个河道断面总流量的比例。
fhy=∫0l∫0hvdhdl/∫0L∫0hvdhdl
式中： fhy为水力阻水比； v为过流断面单位面积上的平均流速，m/s； h为水深，m； l为涉河建设项目占用的河道过水断面宽度，m； L为河道过水断面宽度，m； ∫0hvdhdl为河道过水断面处单宽流量，m3/（s·m）。

2 实例概况

太平水道位于珠江河口，承接上游东江部分来水，流入狮子洋水道，后汇入伶仃洋。河道全长8.7 km，河宽由上段200 m向下游沿程放宽至800 m，平均水深约3 m。河道接近狮子洋水道段有一座木棉岛。
本次以桥梁为例，选取了东莞滨海湾新区靖远大桥作为案例。拟建靖远大桥位于太平水道木棉岛下游近狮子洋水道段，横跨河道及两侧海堤。靖远大桥在河道中布置4组桥墩，其主桥墩为人字形位于太平水道主、副航道中间，跨度布置为（80+80+340+220+80）m，全长800 m。结合现状河道情况、规划航道线和水利行业规范等，靖远大桥主桥墩布置设计了靠近主航道和靠近副航道两种方案。方案2为的方案1整体向河道左岸平移40 m设计出的。
Fig.1 Study area

图1 研究区域

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3 计算结果

靖远大桥两侧海堤为50年一遇防洪标准，因而本次计算阻水比以50年一遇设计水位为准。根据前述计算方法，本文计算了靖远大桥两种方案下的结构阻水比和水力阻水比，具体结果见表1。并且，本文还通过MIKE3三维水动力数学模型计算了桥梁不同方案下的防洪影响，在模型网格构建时将桥墩所在位置的网格扣除形成不过水区域。三维水动力数学模型能够模拟不可压缩流体三维运动，反映过流断面单位面积上的平均流速，且真实的模拟涉河建设项目阻挡水流的情况和反映涉河建设项目防洪影响的程度［15，16］。不同桥墩布置条件下，桥梁产生壅水、流速影响情况见表1和图2。
Tab.1 Characteristics of water blocking and flood controleffects of different pier layout schemes

表1 不同桥墩布置方案阻水及防洪影响特征表

方案 结构阻水比/% 水力阻水比/% 壅水幅度超0.004 m范围/m 流速影响幅度超0.005 m/s范围/m
方案1 4.28 4.46 桥墩位置至上游686 桥墩位置上游155至下游1 014
方案2 3.76 3.60 桥墩位置至上游202 桥墩位置上游143至下游749
Fig.2 Flood control impact characteristics of differentpier layout plans

图2 不同桥墩布置方案防洪影响特征图

注：A为方案1壅水特征图；B为方案2壅水特征图；C为方案1流速影响特征图；D为方案2流速影响特征图。

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根据表1，方案1结构阻水比为4.28%、水力阻水比为4.46%，而方案2结构阻水比为3.76%、水力阻水比为3.60%。方案1仅向河道左岸平移了40 m形成了方案2，其4组桥墩的尺寸不改变。与方案2相比，方案1主桥墩更靠近河道主槽，其主桥墩位置的水深和水流流速相对较大，其4组桥墩总体占用过水断面面积会更大。因而方案1的阻水比相对方案2较大。从表1可以看出，靠近河道主槽的方案水力阻水比相对结构阻水比较大，而靠近浅滩位置的方案结构阻水比相对水力阻水比较大。
从防洪影响来看，方案1主桥墩靠近主槽位置，其产生的壅水和流速影响范围更大。尤其是壅水范围，方案1的壅水范围从桥墩位置至上游686 m，是方案2壅水范围的3.4倍。从图2可以看出，方案中的4组桥墩中主桥墩从靠近主槽位置移至浅滩时，其防洪影响变化最大。而其余3组边墩位置在两种方案下基本均位于浅滩，其防洪影响均相对较小。与方案2相比，方案1的3组边墩防洪差异不大。
方案1的壅水和流速影响范围分别是方案2的3.4倍和1.3倍，两者防洪影响差别较大。方案1与方案2结构阻水比相差14%，而水力阻水比相差24%。因而，水力阻水比反映方案1与方案2之间的差别更加突出。

4 讨 论

在实际案例中，方案1与方案2结构阻水比不完全一致，两者的防洪影响差异部分由结构阻水比变化引起的。为进一步明确水力阻水比的作用，本文设置了2组情景，每组情景设置3组桥墩，通过三维水动力数学模型计算了该组桥墩的防洪影响。情景1：在同一河道断面上布置水力阻水比相同的3个圆形桥墩，其中1个桥墩位于河道主槽位置。情景2：在同一河道断面上布置结构阻水比相同的3个圆形桥墩，其中1个桥墩位于河道主槽位置。情景1内部的3组桥墩形成对比，验证相同水力阻水比的防洪影响是否一致；情景2内部的3组桥墩形成对比，验证相同结构阻水比的防洪影响是否不一致。情景1和情景2验证结果同时成立时，可证明水力阻水比相比结构阻水比更能准确的表达涉河建设项目阻水产生的防洪影响。
Fig.3 Characteristic maps of flood control effects onbridge piers in different scenarios

图3 不同情景桥墩防洪影响特征图

注：A为情景1壅水特征图；B为情景2壅水特征图；C为情景1流速影响特征图；D为情景2流速影响特征图。

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根据计算结果来看，相同水力阻水比条件下，3个桥墩的防洪影响较为接近。而相同结构阻水比条件下，3个桥墩的防洪影响有一定的差异。位于河道主槽位置的桥墩防洪影响最大，其他2个位于浅滩的桥墩防洪影响相对较小且接近。河道主槽位置水深与流速较大，水力阻水比会大于结构阻水比。位于河道主槽位置的桥墩防洪影响最大，证明了水力阻水比与防洪影响相关性更大。因而，相同结构阻水比条件下，水力阻水比较大者防洪影响更大。
在实际案例中，方案1的水力阻水比大于结构阻水比，而方案2的水力阻水比小于结构阻水比。在一定程度上，结构阻水比弱化了方案1的防洪影响，同时也过大的反映了方案2的防洪影响。因而，从反映涉河建设项目对水流动力传播的阻滞程度方面，结构阻水比略有局限，而水力阻水比更占优势。
在同一河道断面上，且结构阻水比相同条件下，涉河建设项目构筑物布置在浅滩和主槽中所产生的影响差异较大。从业者们在实际工作中也意识到了上述观点，通过引入单宽流量对涉河建设项目进行选址，有效避开河道主槽，并且在规范总设置涉河建设项目构筑物宜避开河道主槽的条款，以此来控制涉河建设项目的防洪影响。在实际案例中，方案1和方案2主桥位置的平均单宽流量分别为7.6和5.7 m3/s/m。相比方案1，方案2确实避开了水流动力传播较大的区域。而引入单宽流量避开河道主槽的行为实质上是为了控制水力阻水比，进而减小防洪影响。但是选址的经验没有落实到定量性的指标，部分在河道主槽附近布置构筑物的涉河建设项目实际影响却相对较大。而本次提出的水力阻水比就很好的解决类似的问题。
Fig.4 Single width flow chart of river channel

图4 河道单宽流量图

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阻水比是目前涉河建设项目管理的重要指标。水力阻水比与结构阻水比都可以量化涉河建设项目所产生的阻水，且两者计算均不复杂。但从反映因阻水而产生的影响方面，水力阻水比更具有优势，结构阻水比略显局限。作为水行政主管部门重要的管理依据，阻水比应更具科学性才有助于加强河湖保护。根据本文的论证，与结构阻水比相比，水力阻水比与防洪影响显然更加相关。水力阻水比纳入涉河建设项目控制指标可以起到加强涉河建设项目管理的作用，同时也更符合新时期治水思路。

5 结论与展望

河道承载着水资源，是物质转移与能量传输的通道。河道的防洪排水功能对区域水安全具有重要作用。涉河建设项目管理即是保障河道的防洪排水、河势稳定等功能中的重要一环。阻水比在涉河建设项目管理中作为一项定量的控制性指标，一定程度上控制了涉河建设项目的无序建设。在高质量发展的背景下，河湖安全保护进一步加强，涉河建设项目的阻水比计算方法应更具科学性才有助于强化管理。
现行结构阻水比为涉河建设项目构筑物占过水断面的比例，其方法简便且对涉河建设项目的防洪影响有一定的限制作用。但相同结构阻水比的构筑物在同一河道断面的浅滩和主槽中布置，其产生的影响差异较大。结构阻水比弱化了河道主槽附近涉河建设项目的防洪影响，并且过大的反映了河道浅滩附近的涉河建设项目的防洪影响。为弥补结构阻水比的不足，本文提出水力阻水比。与结构阻水比相比，水力阻水比考虑了河道断面水深、流速等影响水流动力的因素，更有效地反映涉河建设项目对水流动力传播的阻滞程度。
水力阻水比与防洪影响相关性更强，且计算方法同样简便。为弥补水行政主管部门通过结构阻水比控制涉河建设项目防洪影响的缺憾，本文建议将水力阻水比纳入涉河建设项目的管控指标，有效控制涉河建设项目对河道行洪的影响程度。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
1
黄培志， 李敏达. 深圳市涉河建设项目防洪评价［J］. 中国农村水利水电， 2015（3）：106-109.
HUANG P Z， LI M D. Flood control evaluation of river-related construction projects in Shenzhen［J］. China Rural Water and Hydropower， 2015（3）：106-109.
本文引用 [1]
2
陈文龙， 王　华， 彭　瑜. 珠江河口涉水建设项目防洪综合影响研究［J］. 人民珠江， 2014，35（4）：4-7.
CHEN W L， WANG H， PENG Y. Study on comprehensive flood control impact of wading construction projects in Pearl River Estuary［J］. Pearl River， 2014，35（4）：4-7.
本文引用 [1]
3
广东省市场监督管理局， 广东省水利厅. 河道管理范围内建设项目技术规程：DB44/T 1661-2021 ［S］. 广东：网络发布， 2021.
本文引用 [1]
4
中华人民共和国水利部. 河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则：SL/T 808-2021 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2021.
本文引用 [1]
5
丁　伟， 唐洪武， 戴文鸿， 等. 涉河桥梁阻水影响因素研究［J］. 水利水运工程学报， 2011（4）：52-56.
DING W， TANG H W， DAI W H， et al. On resistance factors of river bridges［J］. Hydro-Science and Engineering， 2011（4）：52-56.
本文引用 [1]
6
张大茹. 基于Mike21FM的山区小流域涉水工程防洪影响研究［D］. 北京： 中国水利水电科学研究院， 2015.
ZHANG D R. The influence of water-related engineering on flood-control in mountainous watershed on Mike21FM［D］. Beijing： China Institute of Water Resources and Hydropower Research， 2015.
7
余忠宾. 基于MIKE21 FM的非正交型跨河桥梁阻水分析［J］. 黑龙江水利科技， 2018，46（5）： 46-49+117.
YU Z B. Water blocking analysis of non-orthogonality river-crossing bridge based on MIKE21 FM［J］. Heilongjiang Hydraulic Science and Technology， 2018，46（5）：46-49+117.
8
魏　炜. 基于数值仿真的涉河桥墩阻水效应研究［J］. 西部交通科技， 2021（7）：60-63.
WEI W. Study on water blocking effect of river-related pier based on numerical simulation［J］. Western China Communications Science & Technology， 2021（7）：60-63.
本文引用 [1]
9
徐林春， 郑国栋， 黄　东， 等. 桥梁工程阻水比与河道水位关系初探［J］. 中国农村水利水电， 2011（4）：45-49.
XU L C， ZHENG G D， HUANG D， et al. Research on the relationship between water resistance ratio and river water level in bridge engineering［J］. China Rural Water and Hydropower， 2011（4）：45-49.
本文引用 [1]
10
拾　兵， 贺如泓， 于诰方. 斜交桥渡的壅水及设计计算［J］. 水科学进展， 2001，12（2）：201-205.
SHI B， HE R H， YU G F. Calculations of backwater and aperture on skew bridge crossing［J］. Advances in Water Science， 2001，12（2）：201-205.
本文引用 [1]
11
李　彬. 几种特殊情况的桥梁阻水比探讨［J］. 人民珠江， 2016，37（12）：82-86.
LI B. Discussion on bridge water-blocking ratio of several special conditions［J］. Pearl River， 2016，37（12）：82-86.
本文引用 [1]
12
李　彬. 桥梁对河流阻水影响的一个综合判别指标［J］. 华北水利水电大学学报（自然科学版）， 2017，38（2）：68-71.
LI B. A comprehensive discriminant index of water-blocking influence from bridge to river［J］. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power （Natural Science Edition）， 2017，38（2）：68-71.
本文引用 [1]
13
何　用， 何贞俊， 徐峰俊， 等. 珠江河口大型涉水工程方案优化研究： 以港珠澳大桥工程为例［J］. 泥沙研究， 2015，40（3）：69-73.
HE Y， HE Z J， XU F J， et al. Optimization scheme of the wading engineering in Pearl River Estuary to control the flood influence［J］. Journal of Sediment Research， 2015，40（3）：69-73.
本文引用 [1]
14
张庭荣， 黄武平， 李虎成. 基于墩桩阻力的跨河桥梁阻水比计算分析［J］. 广东水利水电， 2018（2）：15-18.
ZHANG T R， HUANG W P， LI H C. Calculation of water resistance ratio of crossing river bridge based on the pier resistance［J］. Guangdong Water Resources and Hydropower， 2018（2）：15-18.
本文引用 [1]
15
寇晓梅， 高　繁， 张乃畅， 等. 基于MIKE3三维水动力模型的鱼道集鱼区流场特征分析［J］. 人民黄河， 2024， 46（S1）：73-74.
KOU X M， GAO F， ZHANG N C， et al. Analysis of flow field characteristics in fishway fish collection area based on MIKE3 three-dimensional hydrodynamic model［J］. Yellow River， 2024，46（S1）：73-74.
本文引用 [1]
16
郭维维， 许红师， 胡孜军. MIKE3软件模拟温差异重流的网格划分比较研究［J］. 中国农村水利水电， 2021（6）：25-29+37.
GUO W W， XU H S， HU Z J. Comparative research on the mesh generating of temperature difference induced heterogeneous flow with MIKE3［J］. China Rural Water and Hydropower， 2021（6）：25-29+37.
本文引用 [1]
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