天然河道水位預(yù)報(bào)新方法初步研究

戴 清

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100048，北京）

傳統(tǒng)的洪水演進(jìn)方法是研究洪水的傳播問(wèn)題，即當(dāng)知道上游洪水流量，推求下游可能出現(xiàn)的流量大小。如兩江交匯，情況就會(huì)變得相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于河道防洪，人們不僅要了解洪峰流量的大小，更關(guān)注的是河道水位的變化。水位的抬升，對(duì)堤防安全影響更為直接。筆者通過(guò)對(duì)1998年長(zhǎng)江中游河段水文站長(zhǎng)系列水位流量數(shù)據(jù)的研究分析，提出了散亂水位流量關(guān)系單值化處理方法，經(jīng)監(jiān)利、城陵磯、螺山、武漢關(guān)等水文站資料檢驗(yàn)，計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位吻合相當(dāng)好，并經(jīng)過(guò)了1998年長(zhǎng)江大水實(shí)踐的檢驗(yàn)。

一、水位預(yù)報(bào)方法

以長(zhǎng)江荊江河段監(jiān)利水位為例，當(dāng)已知當(dāng)天監(jiān)利流量、水位和下游螺山水位時(shí)，利用天然河道預(yù)報(bào)新方法可預(yù)報(bào)第二天監(jiān)利的水位。研究結(jié)果表明，預(yù)報(bào)平均水位與實(shí)際發(fā)生水位過(guò)程上趨于一致，預(yù)報(bào)平均水位誤差不超過(guò)1.0m。

監(jiān)利水文站位于長(zhǎng)江中游，距下游螺山水文站120km。監(jiān)利水位不僅受上游來(lái)流的影響，而且還受到洞庭湖出流頂托影響。水位預(yù)報(bào)方法具體計(jì)算步驟如下：

1.水位流量關(guān)系單值化擬合

分析1980—1987年監(jiān)利逐日流量、水位長(zhǎng)系列資料，得到水位流量關(guān)系擬合關(guān)系式為：

式中，H1、H2為監(jiān)利、螺山水位，單位m；Q為監(jiān)利日均流量，單位103m3/s；L為兩站公里數(shù)，取值為 120 km；A1～A5為上述系列率定參數(shù)。

2.不同流量級(jí)預(yù)報(bào)時(shí)間流量變化確定

利用上述長(zhǎng)系列資料，計(jì)算監(jiān)利第二天日均流量與當(dāng)天日均流量差值，和該差值與當(dāng)日流量比值。點(diǎn)繪監(jiān)利日均流量與該比值關(guān)系，可以得到該關(guān)系點(diǎn)的平均線及上、下包線。

3.流量變化引起的水位變化計(jì)算

利用上述平均線、上包線、下包線，即可粗估監(jiān)利第二天的流量，分別代入式（1），計(jì)算得到監(jiān)利由于流量變化引起的水位值。

4.利用上下站水位關(guān)系確定下站可能水位

考慮第二天螺山可能的水位變化，方法是點(diǎn)繪監(jiān)利水位與螺山水位關(guān)系，利用該關(guān)系及流量變化引起的水位值，即可得到螺山的三個(gè)第二天可能水位。

5.預(yù)報(bào)水位計(jì)算

再將這三個(gè)可能水位及可能流量代入式（1）中進(jìn)行計(jì)算，即可得到監(jiān)利第二天三個(gè)預(yù)報(bào)水位。

6.第二天實(shí)際流量、水位的輸入

第二天實(shí)際觀測(cè)監(jiān)利流量、水位及螺山水位輸入后，作為下日水位預(yù)報(bào)的依據(jù)值。再重復(fù)以上步驟。

該方法計(jì)算步驟為以上6步。實(shí)際上在預(yù)報(bào)時(shí)，按2～6步驟計(jì)算即可。第1步已利用已有系列進(jìn)行擬合得到，如河道沒(méi)有大的邊界條件改變，可依（1）式關(guān)系預(yù)測(cè)水位。相關(guān)文獻(xiàn)已證實(shí)，長(zhǎng)江中游1980—1987年系列擬合關(guān)系與1998年資料相吻合。本方法考慮了不同流量情況下，下個(gè)時(shí)段可能的流量變化，還考慮了由于上站流量變化引起的下站水位變化。利用水位流量關(guān)系新方法，即（1）式，計(jì)算得到所需的水位預(yù)報(bào)結(jié)果。

值得一提的是，如果不經(jīng)過(guò)第6步計(jì)算，用第二日平均預(yù)測(cè)水位進(jìn)行下日水位預(yù)報(bào)，那即是第三天水位的預(yù)報(bào)，誤差會(huì)大些，限于文章篇幅，在此不進(jìn)行討論。

二、預(yù)報(bào)結(jié)果

利用上述方法及預(yù)報(bào)計(jì)算步驟，進(jìn)行了河道的水位預(yù)報(bào)計(jì)算，預(yù)報(bào)平均水位與實(shí)際水位對(duì)比，計(jì)算值與實(shí)際值誤差基本在1.0m以?xún)?nèi)。

該方法不僅能預(yù)報(bào)洪水期水位過(guò)程，對(duì)枯水期水位預(yù)報(bào)也同樣適用。

三、小 結(jié)

本文介紹了一種新的水位預(yù)報(bào)方法，依據(jù)當(dāng)天流量、水位可預(yù)報(bào)本站第二天水位，誤差基本小于1.0 m。所舉實(shí)例河段為長(zhǎng)江中游復(fù)雜河段，既有上游四口分流影響，又有下游洞庭湖出流影響。如按一般洪水預(yù)報(bào)計(jì)算，復(fù)雜的江湖關(guān)系給計(jì)算帶來(lái)極大的困難，需要引入更多的水流條件和河道形態(tài)數(shù)據(jù)，但從本文介紹的方法看，僅需要本站水位流量、下站水位的長(zhǎng)系列資料，即可準(zhǔn)確把握河道水流特性。本文又進(jìn)一步發(fā)展提出簡(jiǎn)化的水位預(yù)報(bào)方法，從預(yù)報(bào)結(jié)果看，可作為防洪決策的新方法。但是，提出的方法亦有不足之處，如最高、最低可能水位取值方法過(guò)于簡(jiǎn)單，與實(shí)際水位還存在一定的差度。因此，該方法還有很多值得完善的地方。對(duì)于河道沖淤變化較大的河段，其精度和準(zhǔn)確性怎樣，亦值得研究?？傊?，隨著對(duì)河流水流特性、河床演變機(jī)理的深入研究，隨著河流動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，該方法有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

[1]戴清，韓其為，毛繼新.長(zhǎng)江散亂水位流量關(guān)系單值化處理方法的研究[J]，泥沙研究，1999（3）.

[2]Daiqing,Application of a New Method in Studying the Scattered Stage-discharge Relationship [J]，International Journal of Sediment Research,Vol.16 No.2.2001,301－307.

[3]林秉南.大洪水后的一些思考[J]，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，1998，2（2）.