濕潤(rùn)地區(qū)河道流量演算方法研究

傅皓昕

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

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濕潤(rùn)地區(qū)河道流量演算方法研究

傅皓昕

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

摘要：采用馬斯京根法分段連續(xù)演算是模擬濕潤(rùn)地區(qū)河道流量傳播的有效途徑，根據(jù)河道水流特性確定計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)及單元河段長(zhǎng)可提高洪水錯(cuò)峰計(jì)算精度，分支獨(dú)立建模有利于分析參數(shù)并簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，用歷史洪水資料綜合適配匯流參數(shù)曲線(xiàn)可增強(qiáng)模型的實(shí)用性。文章總結(jié)洪水預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以大洋河水文站網(wǎng)為例，論述建模方法和經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。

關(guān)鍵詞：河道；流量演算；模型建立；方法；探究

1研究的意義

研究好河道洪水傳播規(guī)律，探索出上下游或干支流水文站網(wǎng)的流量演算模型，有利于及時(shí)將上游站已現(xiàn)的水文情勢(shì)向下游模擬，為下游站洪水情勢(shì)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供技術(shù)支持，并為險(xiǎn)區(qū)防汛決策贏得寶貴的預(yù)見(jiàn)期[1]。而在大型河網(wǎng)的河道匯流過(guò)程中，不僅存在洪水傳播的位移和形變，也存在干、支流洪水相互頂托和制約，水力條件及運(yùn)動(dòng)規(guī)律相對(duì)復(fù)雜的課題。如果對(duì)各支流站的洪水運(yùn)動(dòng)做單獨(dú)研究，不僅缺乏典型資料(支流獨(dú)立發(fā)生洪水)，模型體系也無(wú)法更好地完善，且據(jù)此分析出的匯流模型也不能適合全流域普遍來(lái)水的實(shí)際；而如果采用全流域綜合分析的方法，則存在各支流(控制站)的演算河長(zhǎng)、河道形態(tài)、河底坡降各異的問(wèn)題，且干支流洪水組合使得河道匯流參數(shù)(如抵償河長(zhǎng)L、洪峰傳播時(shí)間τ等)難以分析確定。因此，如何建立一套既概念明確又精度可靠的河道流量演算模型，成為一個(gè)極具探求價(jià)值的技術(shù)課題[2]。文章總結(jié)洪水預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以大洋河水文站網(wǎng)為例，論述建模方法和經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。

2理論依據(jù)

天然河道的洪水傳播屬不穩(wěn)定流形態(tài)，洪水波的運(yùn)動(dòng)要素服從由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程聯(lián)立的不穩(wěn)定流方程組，其表達(dá)形式如下：

(1)

馬斯京根法對(duì)上述方程組做簡(jiǎn)化求解，以河段水量平衡方程代替連續(xù)方程，以河段槽蓄方程代替運(yùn)動(dòng)方程；并假定河段的示儲(chǔ)流量Q′=x Q上+(1- x)Q下與其槽蓄量W呈線(xiàn)性關(guān)系，用W=KQ′簡(jiǎn)化槽蓄關(guān)系。在滿(mǎn)足單元計(jì)算河長(zhǎng)等于河段抵償河長(zhǎng)(在中斷面水位相等時(shí)，不論漲水與落水，因下斷面水位升或降引起的流量變化恰與因水面比降減小或增大所帶來(lái)的流量變化相互抵償)的前提下，河段流量演算公式推導(dǎo)結(jié)果如下[3]：

Q下，2=C0Q上，1+C1Q上，1+C2Q下，1

(2)

式中系數(shù)：

3建模實(shí)例

3.1概況

大洋河流域呈扇形，總面積6 202 km2，發(fā)源于岫巖滿(mǎn)族自治縣偏嶺鄉(xiāng)，河流全長(zhǎng)201 km。主要支流有哨子河、亮子河、土牛河、小洋河等。大洋河流域示意圖見(jiàn)圖1。流域地處濕潤(rùn)山區(qū)，水系發(fā)達(dá)，汛期降水集中，洪水漲落急劇，汛期防汛形勢(shì)十分嚴(yán)峻；區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有水文站3處，即沙里寨站、文家街站及岫巖站，其中岫巖站的前身為小虎嶺站(小虎嶺站1975年上遷并更名為岫巖站)；沙里寨站為干流下游控制站，其斷面水量有文家街站、岫巖站2站的斷面水量與區(qū)間來(lái)水量組合構(gòu)成，該站洪水情報(bào)預(yù)報(bào)信息是下游龍王廟、黃土坎等險(xiǎn)區(qū)防洪決策的重要依據(jù)[4]。

圖1　大洋河流域示意圖

大洋河干流上游的岫巖站控制面積908 km2，至沙里寨站河道距離68.65 km，河道平均比降0.001；小虎嶺站控制面積1 310 km2，至沙里寨站河道距離59.4 km，河道平均比降0.0008；文家街站控制面積2 131 km2，至沙里寨站河道距離22.3 km，河道平均比降0.0006。

根據(jù)沙里寨站的防汛預(yù)見(jiàn)期要求，其短期洪水預(yù)報(bào)需采用上游站流量演算與區(qū)間降雨～徑流預(yù)報(bào)合成的方式。文章就岫巖(小虎嶺)→沙里寨、文家街→沙里寨的河道流量演算模型的建立方法進(jìn)行論述[6]。

3.2參數(shù)分析與模型的建立

考慮洪水漲落急劇和單元河段入流數(shù)據(jù)按折線(xiàn)變化的特點(diǎn)，采用馬斯京根法對(duì)不穩(wěn)定流方程組做線(xiàn)性有限差解。由于各上游站到下游站的河段距離均較長(zhǎng)(演算河段長(zhǎng)度L>抵償河長(zhǎng)l)，故將其分成若干單元河段，用馬斯京根法逐段連續(xù)演算；為推求單元河段的匯流參數(shù)Le、Ke及Xe，需首先推求整個(gè)河段的河長(zhǎng)L、傳播時(shí)間K及抵償河長(zhǎng)l，再根據(jù)洪水錯(cuò)峰計(jì)算的精度要求和L/l與K/⊿t基本相匹配的原則，綜合確定計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)⊿t；按n≈K/⊿t分段后，便可按下式計(jì)算單元河段的匯流參數(shù)。

(3)

在推求上游站的匯流參數(shù)時(shí)，演算河長(zhǎng)L由地形圖量算，考慮洪峰傳播時(shí)間K及抵償河長(zhǎng)l隨著洪水量級(jí)而變，加之區(qū)間內(nèi)河道地形勘測(cè)資料缺乏，我們首先根據(jù)上、下游水文站的綜合水位流量關(guān)系線(xiàn)Z～Q和實(shí)測(cè)大斷面資料Z～A，對(duì)Q～K曲線(xiàn)及Q～l曲線(xiàn)做初步分析，計(jì)算公式為：

(4)

(5)

在初步分析參數(shù)時(shí)，穩(wěn)定流資料用歷史實(shí)測(cè)洪峰資料來(lái)代替；上游站某流量級(jí)對(duì)應(yīng)的下游站流量，用歷次大洪水相應(yīng)洪峰資料以二次拋物線(xiàn)擬合(因流域降水過(guò)程具有相應(yīng)性，且干、支流來(lái)水的先后和洪水組合形式在不同場(chǎng)次洪水中千差萬(wàn)別，故很難對(duì)某個(gè)支流的洪水做獨(dú)立分析，且由此得出的匯流參數(shù)也不具普遍性，因此，綜合分析的方式更具實(shí)際意義)[7]。

3.3參數(shù)調(diào)試與模型完善

據(jù)上、下游水文站實(shí)測(cè)資料按上述方法分析出的匯流參數(shù)曲線(xiàn)Q～K、Q～l，只是初步參考值，(因天然河道彎曲迂折且河底坡降沿程變化復(fù)雜，各處斷面收縮(或擴(kuò)散)無(wú)常；而水文站測(cè)驗(yàn)斷面均處于平穩(wěn)順直河段，由此抽樣計(jì)算得出的參數(shù)很難反映整個(gè)河段的綜合情況)，需要用歷史實(shí)測(cè)洪水資料檢驗(yàn)和調(diào)試。根據(jù)初步分析的Q～K、Q～l曲線(xiàn)形式及山區(qū)性河流洪水組合計(jì)算的精度要求，綜合確定計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)⊿t=1h；按n≈K/⊿t進(jìn)行分段，單元河段的匯流參數(shù)及流量演算公式便隨之確定；為了應(yīng)用方便計(jì)，各上游站的流量演算模型以河槽單位線(xiàn)u(t)形式給出 — 以上站的單位流量作為入流，經(jīng)過(guò)n段連續(xù)演算所得出的在下斷面的出流過(guò)程；有了河槽單位線(xiàn)u(t)，即可將各上游站的實(shí)測(cè)流量過(guò)程分別演算到下游站；最后，將各站演算下來(lái)的流量過(guò)程進(jìn)行同時(shí)相疊加，就得到了上游站流量在下游站的模擬，再將模擬過(guò)程與下游站實(shí)測(cè)流量過(guò)程相對(duì)照，并判斷各參數(shù)的合理性；依據(jù)K、l的物理意義和對(duì)河槽單位線(xiàn)u(t)的調(diào)節(jié)作用，對(duì)Q～K、Q～l曲線(xiàn)族進(jìn)行調(diào)整，并再次訂正模型，經(jīng)過(guò)反復(fù)多次，最終達(dá)到各級(jí)洪水的峰值、峰現(xiàn)時(shí)間、波形的模擬結(jié)果都能與實(shí)測(cè)資料相適為止。大洋河流域各站河道匯流參數(shù)曲線(xiàn)如表1；河槽單位線(xiàn)特例見(jiàn)表2。

表1　大洋河流域各站匯流參數(shù)曲線(xiàn)表

表2　文家街～沙里寨 河槽匯流單位線(xiàn)

4模型效果評(píng)價(jià)

本流量演算模型的預(yù)報(bào)效果良好，從1958—2010年間歷次洪水模擬看，不論洪水規(guī)模和暴雨強(qiáng)度、走勢(shì)如何，各上游站演算下來(lái)的流量過(guò)程都能控制在沙里寨站實(shí)測(cè)流量過(guò)程以?xún)?nèi)，且上游來(lái)水疊加后與沙里寨站實(shí)測(cè)過(guò)程的波形對(duì)應(yīng)，且加入期間入流后洪量基本平衡；由此構(gòu)成的沙里寨站分塊式模型(計(jì)入?yún)^(qū)間來(lái)水)與全流域降雨～徑流模型相比，預(yù)報(bào)精度顯著提高：按95%保證率統(tǒng)計(jì)，洪峰流量數(shù)值預(yù)報(bào)精度提高8%以上；峰現(xiàn)時(shí)刻預(yù)報(bào)精度提高8%以上[9]。

圖2　大洋河1960年洪水模擬圖

5結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行含支流匯入的濕潤(rùn)山區(qū)河道流量演算時(shí)，采用馬斯京根分段連續(xù)演算法，分支獨(dú)立建模并綜合優(yōu)化參數(shù)曲線(xiàn)是有效途徑；只要大量借鑒歷史實(shí)測(cè)資料，認(rèn)真進(jìn)行匯流參數(shù)曲線(xiàn)的分析和調(diào)試，模型的精度就能得到充分保證。在調(diào)配參數(shù)的過(guò)程中，要結(jié)合河道特性，并依據(jù)各種參數(shù)的物理概念及其對(duì)匯流曲線(xiàn)的作用，在合理的范圍內(nèi)統(tǒng)籌進(jìn)行，以克服假象并避免走彎路。

參考文獻(xiàn)：

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[6]遼寧省水利廳.遼寧省水利基礎(chǔ)信息集[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2013：10-90．

Study on Method of River Flow Routing in Humid Areas

FU Hao-xin

(Dandong Hydrology Bureau，Liaoning Province，Dandong 118000，China)

Abstract：Piecewise continuous calculus with the Muskingum method is an effective way to simulate propagation of river flow in humid area，the length of time interval and the length of unit river section determined based on the characteristics of river flow may increase the calculation precise of flood peak. Establish independently a model in branch is beneficial to analyze and simplify the model structure，and fitting comprehensively the historical flood curve with confluence parameter curve may enhance the practicability of the model.

Key words：river course; flow routing; modeling; method; research

文章編號(hào)：1007-7596(2016)02-0011-04

[收稿日期]2016-01-03

[作者簡(jiǎn)介]傅皓昕(1980-)，男，滿(mǎn)族，遼寧丹東人，工程師，研究方向?yàn)樗?、水文水資源等。

中圖分類(lèi)號(hào)：TV871.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B