運(yùn)用水力、水文學(xué)方法演算東荊河洪水

【摘 要】東荊河全長(zhǎng)173公里，長(zhǎng)接漢江下入長(zhǎng)江，既是漢江唯一的自然分洪道，約分泄?jié)h江下游秋季1/4的洪水，也是長(zhǎng)江夏季洪水的分蓄河道。東荊河下游夏秋兩季洪水頻繁發(fā)生，如何充分利用漢江干流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洪水水位對(duì)東荊河下游洪水進(jìn)推演預(yù)報(bào)，非常有必要。本文對(duì)此作了探討，運(yùn)用水利學(xué)和水文學(xué)方法作出了一些分析計(jì)算，供大家參考。

【關(guān)鍵詞】東荊河；防洪；研究

一、東荊河概況

1、東荊河河道概況

東荊河源頭龍頭拐至中革嶺為上游，河長(zhǎng)117km，河床寬一般300～500m，最寬達(dá)1500m；中革嶺以下為下游，河長(zhǎng)56km，河床寬一般3500～4000m，最寬達(dá)7000m。河道兩側(cè)灘地寬窄不一，在迎流頂沖堤段，大都基本無(wú)灘。

2、東荊河洪水特性

東荊河高水位多出現(xiàn)在7～10月，陶朱埠實(shí)測(cè)最高水位42.26m（凍結(jié)吳淞，1964.10.9）、潛江站實(shí)測(cè)歷年最高水位為42.09m（凍結(jié)吳淞，1983.10.10）；低水位多出現(xiàn)在12月至次年3月。

東荊河洪水來(lái)自漢江干流，東荊河潛江站實(shí)測(cè)歷年最大流量為5340m3/s（1934.7.6），較大洪水的年份還有1937年的5150m3/s、1964年的5060m3/s、1983年的4880m3/s、1935年的4860m3/s，實(shí)測(cè)最小流量為0（斷流）。

二、水力學(xué)方法演算東荊河洪水

1、基本原理

用槽蓄增量關(guān)系求解圣維南方程組模擬洪水演進(jìn)的方法，是將圣維南基本微分方程組在△t時(shí)段簡(jiǎn)化為水量平衡方程式和動(dòng)力方程式后，根據(jù)水量平衡方程式和動(dòng)力方程式可以分別計(jì)算河段槽蓄增量：一是根據(jù)水量平衡方程式可計(jì)算槽蓄增量，二是根據(jù)時(shí)段初、末的兩個(gè)動(dòng)力方程式也可計(jì)算槽蓄增量。由于兩種方法計(jì)算的河段槽蓄增量應(yīng)相等，因此，這一發(fā)現(xiàn)就為水力學(xué)方法求解圣維南方程組模擬洪水演進(jìn)提供了一種新的、可靠的方法。

用槽蓄增量關(guān)系求解圣維南方程組模擬洪水演進(jìn)的方法，屬于水力學(xué)方法范疇。該方法既與水文學(xué)方法和現(xiàn)行的水力學(xué)方法有相似的地方，也有不同的地方。

與水文學(xué)方法相似的地方是都涉及到了河段槽蓄內(nèi)容；不同的是水文學(xué)方法如“馬斯京根法”是將動(dòng)力方程式近似變?yōu)樾钚狗匠淌胶笈c水量平衡方程式聯(lián)解，而該方法是直接將水量平衡方程式與動(dòng)力方程式聯(lián)解。

與現(xiàn)行的水力學(xué)方法相比，相同之處是都涉及到了需要河道地形資料和依據(jù)水文資料率定河段糙率；不同的是，該方法將基本微分方程在 時(shí)段簡(jiǎn)化為水量平衡方程式和時(shí)段初、末的兩個(gè)動(dòng)力方程式后聯(lián)解。即：

將圣維南基本微分方程組（即水流連續(xù)方程（不計(jì)區(qū)間流量）⑴和水流運(yùn)動(dòng)方程⑵）在△t時(shí)段簡(jiǎn)化為水量平衡方程式⑶、動(dòng)力方程式⑷和動(dòng)力方程式⑸：

利用同一河段中的上、下游河道橫斷面資料，假設(shè)某一級(jí)差后，先計(jì)算測(cè)站水位與過(guò)水?dāng)嗝婷娣eW、濕周X、水力半徑R，然后計(jì)算出河段（nq）2值，即（）2，將河段（nq）2累計(jì)就可以點(diǎn)繪出“控制曲線”。

圖解法是根據(jù)數(shù)組點(diǎn)繪成河段控制曲線圖查算水位，第一步是按下游站水位查出對(duì)應(yīng)的值，第二步是加上河段（nq）2值得出新的，第三步是按新的值查出對(duì)應(yīng)的上游站水位；

計(jì)算機(jī)求解法是按圖解法的基本原理，在數(shù)組中通過(guò)插補(bǔ)計(jì)算完成求解上游站水位的工作。由于水位級(jí)差越小，數(shù)組就越多，插補(bǔ)計(jì)算的誤差就越小，因此，本項(xiàng)目水位級(jí)差取0.1m。

2、劃分計(jì)算河段及河床邊界處理

根據(jù)東荊河的實(shí)際情況，主河段劃分了17個(gè)計(jì)算河段，計(jì)100個(gè)子河段。

⑴三合垸（即白斧池0+000）～大垸子閘（1+675）河段只有1個(gè)子河段；三合垸（即白斧池）水位根據(jù)螺山、漢口水位相關(guān)計(jì)算式求出。

⑵大垸子閘（1+675）～潛江站（162+358）共計(jì)99個(gè)河段均采用洪水演進(jìn)計(jì)算方法推求上游站水位。

次河段天合垸南支劃分了2個(gè)計(jì)算河段，計(jì)12個(gè)子河段。

黃家口（0+000）～長(zhǎng)河口（13+290） 共9個(gè)計(jì)算河段，均采用洪水演進(jìn)計(jì)算方法推求上游站水位。

次河段聯(lián)合大垸北2支劃分了3個(gè)計(jì)算河段，計(jì)22個(gè)子河段。

石山港閘（0+000）～楊林尾下游（23+704）共計(jì)22個(gè)計(jì)算河段，均采用洪水演進(jìn)計(jì)算方法推求上游站水位；

次河段聯(lián)合大垸北1支劃分了1個(gè)計(jì)算河段，計(jì)8個(gè)子河段。即：復(fù)興閘上游（0+000）～楊林尾（8+700），采用洪水演進(jìn)計(jì)算方法推求上游站水位。

3、民垸破口行洪流量計(jì)算

民垸破口行洪流量按寬頂堰流計(jì)算：

式中：δn為淹沒(méi)系數(shù)；b為口門寬度；H0為上游站水位與底檻高程的差值；ξ為側(cè)收縮系數(shù)取0.8；m為流量系數(shù)取0.385。

4、通過(guò)2005年10月、2011年9月、1983年9月洪水資料核算河段糙率

按照上述用槽蓄增量關(guān)系求解圣維南方程組模擬洪水演進(jìn)的方法，首先假定河段糙率系數(shù)，當(dāng)模擬計(jì)算的上游站水位過(guò)程線與實(shí)測(cè)水位過(guò)程線基本吻合時(shí)，假定的河段糙率系數(shù)即為所求，核算各河段。

三、水文學(xué)方法演算東荊河洪水

1、基本原理

河道相應(yīng)洪峰水位（或流量）的預(yù)報(bào)方程一般采用多元一次方程式：

3、可替代下游測(cè)站同時(shí)流量的參數(shù)

⑴可用下游站在上游站出現(xiàn)洪峰時(shí)的水位漲差替代

由于水位站缺乏流量觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此應(yīng)尋找可替代下游水位站同時(shí)流量的參變數(shù)。目前，常用水位漲差的變化反映流量的變化，即用下游站同時(shí)水位漲差△Z下b反映同時(shí)流量下b的變化：

4、受下游頂托水位影響的河道相應(yīng)洪峰水位預(yù)報(bào)的參數(shù)

受下游頂托水位影響時(shí)，基本方程式（24）、（25）應(yīng)增加反映下游頂托水位影響的參數(shù)。

將式（24）寫成如下形式：

四、應(yīng)用效果

2010年7月，根據(jù)湖北省防辦要求，當(dāng)沙洋站出現(xiàn)洪峰（即2010年7月27日18時(shí)，洪峰水位42.01m）后，立即采用對(duì)漢川洪峰水位預(yù)報(bào)的多元一次方程式計(jì)算，得出漢川洪峰水位為31.96m，比實(shí)際洪峰水位僅高0.02m。當(dāng)時(shí)為漢江下游洪水調(diào)度起到了有力的技術(shù)支撐作用。

2011年9月21日15時(shí)，沙洋出現(xiàn)洪峰水位42.45m，采用上述多元一次預(yù)報(bào)方程式對(duì)漢川洪峰水位進(jìn)行驗(yàn)算漢川洪峰水位為30.58m，比實(shí)際洪峰水位僅高0.03m。可以說(shuō)這一預(yù)報(bào)方法在同類領(lǐng)域達(dá)到領(lǐng)先水平。

在2011年防御漢江、東荊河洪水中，省防汛抗旱指揮部漢江防辦根據(jù)本項(xiàng)目的初步研究成果，在2011年9月21日2時(shí)《第六期洪水預(yù)報(bào)》中，分別預(yù)報(bào)仙桃市楊林尾站于9月23日12時(shí)洪峰水位將達(dá)到32.40m，洪湖市白廟閘洪峰水位將達(dá)到33.71m、中嶺閘洪峰水位將達(dá)到32.93m。實(shí)際洪峰水位分別是楊林尾32.39m、白廟閘33.54m、中嶺閘33.00m。

由于洪水預(yù)報(bào)及時(shí)、準(zhǔn)確，仙桃市防汛抗旱指揮部重點(diǎn)加強(qiáng)了對(duì)東荊河堤防、聯(lián)合大垸的防守，洪湖市東荊河防汛指揮部加強(qiáng)了對(duì)白廟至中革嶺堤段的防守。起到了既確保東荊河大堤防洪安全、又減免聯(lián)合大垸淹沒(méi)損失（達(dá)2.4億元以上）的作用。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析計(jì)算，一是從理論上推導(dǎo)得出了河道短期水文預(yù)報(bào)選用參數(shù)的一般關(guān)系式和三種替代下游站實(shí)測(cè)同時(shí)流量Q下b以及反映下游洪水頂托參數(shù)的取值方法，經(jīng)實(shí)踐證明具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。二是建立了預(yù)報(bào)漢川洪峰水位的關(guān)系式，既提高了漢川水位因長(zhǎng)江洪水過(guò)低預(yù)報(bào)精度低的難題，又從水文學(xué)角度說(shuō)明了漢川洪峰水位不受東荊河民垸是否破口行洪的影響。三是推廣應(yīng)用《用槽蓄增量關(guān)系聯(lián)解圣維南方程組模擬洪水演進(jìn)的方法》，東荊河短期洪水預(yù)報(bào)既有水文學(xué)的方法又有水力學(xué)的方法，可起到為確保東荊河防洪安全發(fā)揮有力的技術(shù)支撐作用。四是通過(guò)演算楊林尾和北口閘洪峰水位變化對(duì)上游河段的影響，從而清楚了東荊河民垸破口與否不會(huì)影響到河口分流；也清楚了東荊河大堤安全需要及時(shí)調(diào)度運(yùn)用河段內(nèi)民垸破口行洪。