漢江下游沙洋至漢口河段槽蓄量計(jì)算分析

陳望春 鄭 靜 張 濤 陳瑜彬(.浙江省寧波市水文站，浙江 寧波 3500；.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 43000)

漢江下游沙洋至漢口河段槽蓄量計(jì)算分析

陳望春1鄭 靜2張 濤2陳瑜彬2(1.浙江省寧波市水文站，浙江 寧波 315020；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 水文局，湖北 武漢 430010)

分別采用斷面法和DEM方法推求漢江下游沙洋至河口河段河道槽蓄量，并對(duì)兩種計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為DEM方法更優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，選取1983～2010年23場(chǎng)洪水不同時(shí)刻漢江下游重要水文站(水位站)實(shí)測(cè)水面線資料，基于2005年實(shí)測(cè)河道地形數(shù)據(jù)，采用DEM方法進(jìn)行河段槽蓄量計(jì)算，分析比較歷史洪水不同水面線下河段槽蓄量變化，得到3點(diǎn)初步認(rèn)識(shí)，可為漢江中下游防洪和應(yīng)急調(diào)度工作提供參考。

斷面法；DEM法；槽蓄量計(jì)算；槽蓄關(guān)系；漢江下游

槽蓄量計(jì)算是河道演變分析、流域開發(fā)、防洪調(diào)度及河道治理的一項(xiàng)重要工作[1]。漢江中下游地區(qū)是漢江防洪的重點(diǎn)，也是長(zhǎng)江中下游防洪重點(diǎn)區(qū)之一，區(qū)內(nèi)分蓄洪工程在漢江以及長(zhǎng)江的防洪工作中承擔(dān)著重要任務(wù)[2]。分析區(qū)內(nèi)河道槽蓄關(guān)系，摸清各重要河段過流能力，掌握河道安全泄量，有利于合理安排分蓄洪工作，降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，減少洪水災(zāi)害帶來的損失。本文采用DEM方法，基于2005年實(shí)測(cè)河道地形數(shù)據(jù)，分析比較1998～2010年典型洪水不同水面線下河段槽蓄量變化，以期為漢江中下游的防洪調(diào)度提供參考。

1 研究區(qū)概況及資料來源

1.1 研究區(qū)概況

本文選取沙洋至漢江河口河段為研究河段，自上游向下游共分為沙洋-東荊河分流口、東荊河分流口-仙桃、仙桃-漢川、漢川-漢江河口4個(gè)河段，是漢江中下游防洪的重點(diǎn)河段。全河段及沙洋站附近建有東荊河、大柴湖、鄧家湖、小江湖等14個(gè)臨時(shí)分蓄洪民垸和杜家臺(tái)分洪閘等分蓄洪工程。沙洋至漢江河口河段位置如圖1所示。

圖1 沙洋至漢江河口河段位置示意

1.2 資料來源

河道斷面資料為漢江沙洋至漢江河口河段1∶10 000河道地形圖(2005年測(cè)繪)，共150張。沙洋至漢江河口河段全長(zhǎng)282.1 km，按照《2005年漢江中下游河道地形觀測(cè)技術(shù)大綱》的規(guī)定，全河段共布置259個(gè)觀測(cè)斷面，平均斷面密度為0.82～1.09個(gè)/km。

為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文基于ArcGIS平臺(tái)對(duì)收集到的河道地形圖進(jìn)行了拼接、等高線閉合查錯(cuò)修改、實(shí)測(cè)點(diǎn)與控制點(diǎn)高程查錯(cuò)檢查以及河堤線界定等處理工作。通過圖形配準(zhǔn)、矢量化、接邊處理、屬性編輯和高程修正，最后得到適合DEM方法計(jì)算河道槽蓄量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算方法

2.1 斷面法

斷面法據(jù)河道水下實(shí)測(cè)地形切割斷面，按幾何方法直接計(jì)算河道泥沙的沖淤體積，即由某一水位Zi下的上下斷面過水面積Ai、Ai+1計(jì)算斷面間相應(yīng)水位下的河道槽蓄量[3]

(1)

式中Li為斷面間距，m；Ai、Ai+1分別為上下斷面面積，m2。

整個(gè)河段槽蓄量則為

V=∑Vi

(2)

近年來，一些水力學(xué)模型的出現(xiàn)，如Mike-11和SMS(Surface-water Modeling System)等，為河道槽蓄量的計(jì)算提供了便利。本文在Mike-11水力學(xué)模型環(huán)境下，利用已建立的漢江中下游丹江口至漢江河口河段水力學(xué)模型，通過對(duì)各河段不同水面線下棱柱體水量計(jì)算，求得各河段斷面水位與河段槽蓄量的關(guān)系。

2.2 DEM法

DEM(數(shù)字高程模型)是地形表面的一種數(shù)學(xué)(或數(shù)字)模型。對(duì)地形表面進(jìn)行表達(dá)的各種處理可稱為表面重建或表面建模，重建的表面通常可認(rèn)為是DEM表面。

采用DEM方法計(jì)算槽蓄量主要是利用ArcGIS中的3D分析工具(Cut fill)進(jìn)行計(jì)算。主要過程包括河道地形矢量化、河道三維表面生成以及槽蓄量計(jì)算[4～5]。

(1) 河道地形矢量化。利用河道地形實(shí)測(cè)資料,對(duì)地形圖中高程點(diǎn)、等高線、坎線、堤線進(jìn)行矢量化，并進(jìn)行圖形配準(zhǔn)、接邊處理、屬性編輯以及高程修正, 將各矢量化圖形要素分別轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的ArcGIS 可讀取的圖層文件。

(2) 河道三維表面生成。基于矢量化的河道地圖層文件，采用ArcGIS 軟件提供的三維分析工具“Create TIN From Feature”創(chuàng)建河道三維表面，并存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換為TIN(不規(guī)則三角網(wǎng)) 和Lattice(柵格)兩種數(shù)據(jù)格式文件，供槽蓄量計(jì)算所用。

(3) 槽蓄量計(jì)算。根據(jù)所創(chuàng)建河道三維表面，調(diào)用ArcGIS 軟件提供的三維分析工具“Cut Fill”實(shí)現(xiàn)河道槽蓄量計(jì)算。其中，Cut Fill可實(shí)現(xiàn)對(duì)由兩個(gè)Lattice(原始表面和變化后的表面)表達(dá)的區(qū)域計(jì)算變化的面積和體積。本文利用自編二次開發(fā)程序完成DEM法量取河段槽蓄曲線關(guān)系成果。

2.3 槽蓄量計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

兩種方法計(jì)算的各河段槽蓄曲線見圖2。

沙洋至東荊河分流口河段由于灘地地形沿程的變化、起伏較大，彎道甚多，切割斷面較少(0.88個(gè)/km)，斷面的代表性降低，故斷面法計(jì)算結(jié)果的精度下降，計(jì)算結(jié)果普遍偏小。由圖2(a)可知，與DEM方法相比，斷面法求得的槽蓄量最大偏小3.17億m3，誤差較大。東荊河分流口至仙桃河段和仙桃至漢川河段，由于漢江河道越向下游河道越束窄，斷面法計(jì)算結(jié)果比DEM方法的計(jì)算結(jié)果偏小1.116億～0.376億m3，偏離程度逐步降低(見圖2(b)和圖2(c))。漢江下游漢川至漢江河口河段由于河床較為順直(與整個(gè)河段相比)，沿程變化較為均勻，切割斷面的代表性強(qiáng)，兩種方法比較蓄量最大差距降至0.0577億m3以下，其計(jì)算結(jié)果較為一致(圖2(d))。

圖2 漢江中下游各河段槽蓄曲線

斷面法利用切割的斷面進(jìn)行水量計(jì)算，只利用了部分?jǐn)嗝嫘畔?，而基于GIS的計(jì)算方法則是利用河道三維表面進(jìn)行計(jì)算，利用了整個(gè)地形圖的全部地形信息。與DEM方法相比，斷面法中斷面與斷面間距的選擇有時(shí)缺乏代表性，對(duì)一些沖淤變化極其劇烈的局部河段，尤其對(duì)于蜿蜒性或分汊性河道(如沙洋-東荊河分流口河段)，斷面的選擇和切取斷面的疏密對(duì)計(jì)算精度起著決定性作用，但是由于工作量的限制，切取斷面往往很難達(dá)到足夠高的精度。而基于DEM的沖淤計(jì)算方法，數(shù)據(jù)采集的精度和對(duì)測(cè)圖的利用效率遠(yuǎn)高于斷面地形法，具有強(qiáng)大的三維表達(dá)和空間分析能力，且整個(gè)計(jì)算過程(包括地圖數(shù)字化、三維表面生成及槽蓄量計(jì)算分析)可在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)完成，工作效率大大提高。

經(jīng)過上述分析比較，認(rèn)為采用DEM法計(jì)算河槽蓄量更為準(zhǔn)確，因此本文選取DEM法對(duì)洪水期研究河段的槽蓄量變化進(jìn)行分析。

表1 典型洪水沙洋至漢江河口河段槽蓄量增量統(tǒng)計(jì)

3 典型洪水河段槽蓄量計(jì)算

為分析洪水期河段槽蓄量變化，選取1983～2010年23場(chǎng)洪水不同時(shí)刻漢江中下游沙洋、澤口、東荊河分流口、岳口、仙桃、漢川、新溝、漢口水文站(水位站)實(shí)測(cè)水面線資料，基于2005年實(shí)測(cè)河道地形資料，進(jìn)行河段槽蓄量計(jì)算，以分析比較不同水面線下河段槽蓄量變化，典型洪水包括1983，1984，1998，2003，2005年以及2010年大洪水資料。

在每場(chǎng)洪水中選取起漲時(shí)刻、洪峰時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的實(shí)測(cè)水面線。起漲時(shí)刻選取沙洋站水位開始起漲時(shí)水面線資料。洪峰時(shí)刻選取漢江下游控制站仙桃站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)水面線資料(連續(xù)洪水是仙桃站水位峰谷相位皆選)。結(jié)束時(shí)刻選取沙洋至漢江河口段干流水位退至穩(wěn)定，全線流量很小時(shí)的水面線。槽蓄量計(jì)算采用DEM方法，典型洪水沙洋至漢江河口河段槽蓄量增量見表1。

4 結(jié) 論

通過對(duì)典型洪水不同時(shí)刻水面線下漢江沙洋至漢江河口槽蓄量統(tǒng)計(jì)值的計(jì)算分析，得到以下3點(diǎn)初步認(rèn)識(shí)。

(1) 當(dāng)沙洋以下河段處于起漲前流量很小穩(wěn)定流狀態(tài)，漢口同時(shí)水位在16.8～22.6 m較低水位時(shí)，漢江沙洋至漢江河口河段初始槽蓄量在7.07億～7.57億m3左右。

(2) 1983年10月、2003年9月和2005年10月漢江洪水，沙洋站洪峰流量分別為21 600，13 700 m3/s和14 000 m3/s,從沙洋水位起漲至仙桃站出現(xiàn)洪峰水位時(shí)，沙洋至漢江河口河段槽蓄量增量(反映整個(gè)河段調(diào)蓄能力)分別為16.0億，14.53億m3和13.55億m3。以上3場(chǎng)洪水，當(dāng)時(shí)漢口水位均低于25.0 m。1983年10月上游來水?dāng)?shù)量級(jí)最大，仙桃現(xiàn)峰時(shí)河段槽蓄量也最大，達(dá)到 26.98億m3；2005年10月洪水，仙桃現(xiàn)峰時(shí)漢口同時(shí)水位較低，在21.92 m左右，仙桃至漢江河口水面比降比2003年9月洪水大，仙桃現(xiàn)峰時(shí)河段槽蓄量比2003年9月洪水小1億m3左右(見表1)。

(3) 1983年7月洪水、1998年8月洪水和2010年7月洪水，由于起漲時(shí)刻漢口水位均在26.5 m以上，仙桃以下河段水位受漢口水位壅水影響越向下游越重，起漲時(shí)刻整個(gè)河段初始槽蓄量達(dá)11億～12億m3，河道底水量大，當(dāng)仙桃出現(xiàn)洪峰時(shí)河道調(diào)蓄能力較漢口水位低時(shí)要??；類如1998年7月中旬至8月，隨著漢口水位不斷攀升，當(dāng)漢江沙洋以上出現(xiàn)連續(xù)洪水時(shí)，每次洪水槽蓄量增量越來越小，河段調(diào)蓄能力逐步減弱。

[1] 陳立,明宗富. 河流動(dòng)力學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2011.

[2] 長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局. 長(zhǎng)江流域洪水預(yù)報(bào)方案匯編(第三冊(cè))漢江流域[R].武漢：長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，2005.

[3] 王強(qiáng). GIS在河道沖淤及河床演變分析中的應(yīng)用[D].武漢：武漢大學(xué), 2004.

[4] 肖志遠(yuǎn),郭海晉,徐德龍，等. 城陵磯至螺山河段槽蓄量及沖淤變化計(jì)算[J].人民長(zhǎng)江，2003(1).

[5] 胡紅兵,胡光道. 基于DEM的河道演變可視化表達(dá)和定量分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008(4).

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)01-0041-04

2016-05-30

陳望春，男，浙江省寧波市水文站，高級(jí)工程師.

陳瑜彬,男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，高級(jí)工程師。E-mail:chenby@cjh.com.cn.

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