改進(jìn)的河道洪水傳播法在遼寧中部地區(qū)的運(yùn)用及對(duì)比分析

劉長(zhǎng)君，劉佳

（遼寧省沈陽(yáng)市水文局，遼寧沈陽(yáng)110046）

改進(jìn)的河道洪水傳播法在遼寧中部地區(qū)的運(yùn)用及對(duì)比分析

劉長(zhǎng)君，劉佳

（遼寧省沈陽(yáng)市水文局，遼寧沈陽(yáng)110046）

本文運(yùn)用變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段洪水傳播時(shí)間，從而對(duì)傳統(tǒng)河道洪水傳播方法進(jìn)行改進(jìn)，并以遼中地區(qū)湯河（西支）流域?yàn)槔x取15場(chǎng)洪水，分析改進(jìn)的河道洪水傳播法對(duì)流域洪水模擬精度的影響。研究結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)方法，改進(jìn)的河道洪水傳播法更適合于湯河（西支）的洪水模擬，并在徑流深相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)間誤差及次洪過(guò)程模擬吻合度上均有改善和提高。研究成果對(duì)于湯河（西支）流域及遼寧其他區(qū)域洪水模擬提供參考價(jià)值。

改進(jìn)的河道洪水傳播方法；洪水傳播時(shí)間；次洪模擬精度；遼寧中部地區(qū)

引言

對(duì)于流域防洪預(yù)報(bào)預(yù)警而言，場(chǎng)次洪水模擬精度的好壞直接決定了流域水文預(yù)報(bào)預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。而對(duì)于次洪模擬，河道洪水傳播模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性尤為重要。傳統(tǒng)的河道洪水傳播方法大都采用馬斯京根河道洪水傳播方法，該方法由于原理簡(jiǎn)單，計(jì)算較為簡(jiǎn)便，一直被國(guó)內(nèi)許多學(xué)者用于不同流域的洪水模擬，并取得一定的研究成果［1-5］。但傳統(tǒng)的馬斯京根河道洪水傳播方法將不同河段的洪水傳播時(shí)間設(shè)置為定值，認(rèn)為不同河段洪水傳播時(shí)間是相同的，但是不同河段的洪水傳播時(shí)間會(huì)受到河段長(zhǎng)度和坡度的影響，即受到河道洪水傳播速度的影響。隨著對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，許多科學(xué)家也開(kāi)始開(kāi)展對(duì)動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段洪水傳播時(shí)間的研究。20世紀(jì)初，美國(guó)科學(xué)家提出變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法來(lái)動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段的洪水傳播時(shí)間，通過(guò)水力學(xué)方法計(jì)算不同河段洪水傳播時(shí)間，由于原理簡(jiǎn)單，逐步被國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者運(yùn)用到流域的洪水模擬中。韓元元［6］運(yùn)用變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法在貴州地區(qū)對(duì)洪水進(jìn)行了模擬，研究表明變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法實(shí)現(xiàn)了貴州江河流域不同河段洪水傳播時(shí)間的動(dòng)態(tài)計(jì)算，并使得流域次洪模擬精度大大提高。石莎［7］將變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法運(yùn)用到浯溪口水利樞紐洪水模擬中，研究結(jié)果顯示該方法提高了浯溪口水利樞紐洪水模擬的精度。這些成果表明改進(jìn)的河道洪水傳播方法可以提高流域洪水模擬精度，但是改進(jìn)的河道洪水傳播方法在遼寧地區(qū)特別是在湯河（西支）流域運(yùn)用成果較少，為此，本文引入變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段洪水傳播時(shí)間，從而改進(jìn)傳統(tǒng)的河道洪水傳播方法，并結(jié)合湯河（西支）流域內(nèi)實(shí)測(cè)10場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)，定量分析改進(jìn)的河道洪水傳播方法對(duì)湯河（西支）流域洪水模擬精度的影響。研究成果對(duì)于湯河（西支）流域洪水模擬以及遼寧其他流域洪水模擬具有參考價(jià)值。

1研究方法及資料準(zhǔn)備

1.1研究區(qū)域概況

湯河（西支）為湯河左岸一級(jí)支流。河流發(fā)源于遼寧省遼陽(yáng)縣吉洞峪滿族鄉(xiāng)禮備溝村，流經(jīng)遼陽(yáng)縣、遼陽(yáng)市弓長(zhǎng)嶺區(qū)，在遼陽(yáng)弓長(zhǎng)嶺區(qū)湯河鎮(zhèn)柳河湯村注入湯河。流域面積562km2，河流長(zhǎng)度59km，河流平均比降2.93‰，多年平均年降水量756.5mm，多年平均年徑流深214.7mm，流域平均寬度為9.6km，河道彎曲系數(shù)為1.3，河流形狀系數(shù)為0.16，河網(wǎng)密度為0.4。1.2研究方法

本文選用新安江模型模擬湯河（西支）流域的產(chǎn)匯流過(guò)程，在河道洪水匯流計(jì)算時(shí)，改變傳統(tǒng)新安江模型運(yùn)用馬斯京根法進(jìn)行河道洪水傳播計(jì)算到流域出口，采用變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法動(dòng)態(tài)計(jì)算流域內(nèi)不同河段洪水傳播時(shí)間，對(duì)比分析河道洪水傳播方法改進(jìn)前后對(duì)流域水文模擬精度的影響，基于湯河（西支）流域內(nèi)郝家店水文站實(shí)測(cè)洪水?dāng)?shù)據(jù)，分別運(yùn)用傳統(tǒng)的馬斯京根法和改進(jìn)的河道洪水傳播方法進(jìn)行河道洪水演算，對(duì)比湯河以上集水區(qū)域15場(chǎng)洪水模擬精度。新安江模型的原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)［8］，本文重點(diǎn)介紹改進(jìn)的河道洪水傳播方法。傳統(tǒng)河道洪水傳播方法主要基于河段水量平衡方程和槽蓄方程，2個(gè)方程的表達(dá)式為：

不同河段的水量平衡方程為：式中：I—時(shí)段初流入河段內(nèi)的流量，m3/s；Q—時(shí)段末流出河段的流量，m3/s；W—不同河段內(nèi)蓄水量，m3。

不同河段的槽蓄方程為：式中：Q′—河段內(nèi)存儲(chǔ)的流量，m/s；K—不同河段的洪水傳播時(shí)間，h；其他變量含義同前。其中：式中：x—流量比重系數(shù)；其他變量含義同前。

本文采用變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段的洪水傳播時(shí)間，K值計(jì)算方程為：式中：L—不同河段的長(zhǎng)度，m；Vc—不同河段的洪水波波速，m/s；其他變量含義同前。

對(duì)于河段橫斷面近似為寬矩形河段，不同河段洪水波傳播速度可采用Schu1ze提出的公式進(jìn)行估算，計(jì)算方程為：式中：V—不同斷面河流的平均流速，m3/s；其他變量含義同前。

不同斷面的河流平均流速可采用Manning公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方程為：式中：R—不同河道斷面水力半徑，m；i—不同河段的河道坡度；n—不同河段斷面的曼寧系數(shù)；其他變量含義同前。

1.3研究數(shù)據(jù)

本研究需要的數(shù)據(jù)主要為河段的地形數(shù)據(jù)，收集湯河以上流域河道地形數(shù)據(jù)。河段地形數(shù)據(jù)主要用來(lái)計(jì)算不同河段洪水傳播時(shí)間。此外為對(duì)比改進(jìn)的河道洪水傳播方法對(duì)流域洪水模擬精度的影響，收集湯河（西支）流域郝家店水文站2000～2010年15場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)比分析改進(jìn)的洪水傳播方法對(duì)流域洪水模擬精度的影響。

2模型運(yùn)用

基于改進(jìn)的河道洪水傳播方法，選用湯河（西支）流域內(nèi)郝家店水文站2000～2010年15場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)，分別運(yùn)用傳統(tǒng)河道洪水傳播法和改進(jìn)的河道洪水傳播法模擬上述15場(chǎng)洪水，并和實(shí)測(cè)洪水流量進(jìn)行對(duì)比，分析不同河道洪水傳播方法對(duì)湯河（西支）流域洪水模擬精度的影響。研究成果見(jiàn)表1。

表1為2種不同河道洪水傳播方法在湯河（西支）流域15場(chǎng)洪水模擬的精度對(duì)比分析結(jié)果，從表1中可以看出，2種河道洪水傳播方法在湯河（西支）流域的洪水模擬都具有一定的模擬精度，2種方法模擬的徑流深相對(duì)誤差均小于10%，模擬的次洪過(guò)程確定性系數(shù)達(dá)到0.6以上，均滿足流域洪水模擬精度規(guī)范要求。傳統(tǒng)的河道洪水傳播方法洪水模擬精度低于改進(jìn)的河道洪水傳播方法模擬的洪水精度，從15場(chǎng)洪水模擬的徑流深相對(duì)誤差可以看出，改進(jìn)后的河道洪水傳播方法相比于傳統(tǒng)河道洪水傳播方法，徑流深平均相對(duì)誤差減少5.23%，次洪過(guò)程模擬的確定性系數(shù)提高0.153，而另一個(gè)重要的指標(biāo)洪峰出現(xiàn)時(shí)間誤差，改進(jìn)的河道洪水傳播方法相比于傳統(tǒng)河道洪水傳播方法，將峰現(xiàn)時(shí)間誤差縮短0.53h。可見(jiàn)改進(jìn)的河道洪水傳播方法提高了湯河（西支）流域洪水模擬的精度，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)的河道洪水傳播方法動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段的洪水傳播時(shí)間，而傳統(tǒng)的河道洪水傳播方法未能考慮不同河段洪水傳播時(shí)間的差異性。綜上，改進(jìn)的河道洪水傳播方法，提高了湯河（西支），流域洪水模擬的精度，可用于湯河（西支）流域的洪水模擬。

表1不同河道洪水傳播方法洪水模擬精度對(duì)比

3結(jié)論

本文引入變動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)系數(shù)法動(dòng)態(tài)計(jì)算不同河段洪水傳播時(shí)間，從而對(duì)傳統(tǒng)河段洪水傳播方法進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合流域內(nèi)15場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)比分析不同河道洪水傳播方法對(duì)研究流域洪水模擬精度的影響，研究取得以下結(jié)論：

（1）改進(jìn)的河道洪水傳播方法提高了湯河（西支）流域洪水模擬精度，相比于傳統(tǒng)河道洪水傳播方法，洪水模擬精度中次洪徑流深相對(duì)誤差減少5.23%，次洪過(guò)程吻合度提高0.153，洪峰出現(xiàn)時(shí)間誤差縮短0.53h。

（2）改進(jìn)的河道洪水傳播方法可用于湯河（西支）流域的洪水模擬。該方法值得在其他流域水文模擬中推廣，但改進(jìn)的河道洪水傳播方法需要河道實(shí)測(cè)的地形數(shù)據(jù)，對(duì)缺少河道地形數(shù)據(jù)的區(qū)域次洪模擬存在局限性。

［1］賀清錄，邵明星，鞏楠，等.河道與城市防洪［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2008（06）：42-43+64.

［2］李福仲，劉力真.郭家村水庫(kù)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2008（02）：46-48.

［3］羅志遠(yuǎn)，楊全明，吳剛.貴州省洪水特性及洪峰模數(shù)規(guī)律淺析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2009（02）：8-10+50.

［4］楊瑞恒.河道洪水傳播時(shí)間的預(yù)報(bào)方法［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2012（06）：16-19.

［5］昂慧萍，王海玉.青弋江水陽(yáng)江水系河道洪水傳播時(shí)間分析［J］.江淮水利科技，2006（04）：35-36.

［6］韓元元，吳昊.改進(jìn)的新安江模型在貴州印江河流域的適用性及對(duì)比分析［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2015（03）：110-114.

［7］石莎，范子武，張銘，等.浯溪口水利樞紐潰壩洪水模擬［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2013（06）：67-73.

［8］張乾，包為民，陳偉東，等.大坡嶺流域土地利用變化的徑流特征響應(yīng)研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2015（05）：49-52.

TV122

A

1008-1305（2016）03-0058-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.024

2016-04-01

劉長(zhǎng)君（1971年—），男，工程師。