變糙率水力學(xué)模型在長(zhǎng)江上游洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用初探

姜利玲 湯成友 曾 適

變糙率水力學(xué)模型在長(zhǎng)江上游洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用初探

姜利玲 湯成友 曾 適

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局, 重慶 400014)

針對(duì)常糙率水力學(xué)模型在實(shí)際洪水預(yù)報(bào)中存在的局限性，提出了變糙率水力學(xué)模型。以嘉陵江某典型河段為例，對(duì)常糙率和變糙率兩種水力學(xué)模型在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析比較。結(jié)果表明，變糙率模型的參數(shù)取值更為合理，對(duì)長(zhǎng)江上游水文預(yù)報(bào)、河道防洪等具有較大的參考意義與實(shí)用價(jià)值。

水力學(xué)模型；常糙率；變糙率；洪水預(yù)報(bào)；嘉陵江；長(zhǎng)江

我國(guó)在洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域應(yīng)用研究起步較晚，與世界先進(jìn)國(guó)家存在較大的差距[1]。目前國(guó)內(nèi)洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用較多的是基于DEM的分布式水文模型及專家交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

多年來長(zhǎng)江上游洪水預(yù)報(bào)主要是采用基于傳統(tǒng)的水文學(xué)方法的專家交互式洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)?，F(xiàn)行的洪水預(yù)報(bào)方案己經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)應(yīng)用，可信度及實(shí)用性較高。長(zhǎng)江上游流域近年來建設(shè)了大量水庫(kù)電站工程，受樞紐運(yùn)行的影響，河道的水流特性將變得更復(fù)雜，也給上游洪水預(yù)報(bào)工作帶來諸多困難。同時(shí)，洪水調(diào)度和水資源管理對(duì)洪水預(yù)報(bào)的依賴性較強(qiáng)，洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)已經(jīng)成為科學(xué)調(diào)控洪水的重要依據(jù)和首要環(huán)節(jié)。因此，要提高洪水預(yù)報(bào)精度，特別是短期洪水預(yù)報(bào)，迫切需要開展基于水文學(xué)和水力學(xué)模型相結(jié)合的洪水預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用研究。

為此，本文在長(zhǎng)江上游典型河段建立了變糙率水力學(xué)模型，開展該模型在長(zhǎng)江上游洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究。

1 水動(dòng)力學(xué)模型

水流連續(xù)方程

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程

(2)

2 糙率的優(yōu)化選取

水力學(xué)模型應(yīng)用要給定各種參數(shù)。其中，糙率值參數(shù)是一個(gè)間接量，不能直接測(cè)得。

正確地確定糙率值十分困難。首先，糙率是河床、岸壁的不規(guī)則性和表面粗糙程度以及其他影響水流運(yùn)動(dòng)能量損失因素的一個(gè)綜合性指標(biāo)，與河道的組成、河道的水力半徑、水深、植被生長(zhǎng)狀況、壁面及河床粗糙程度、含沙量、河流彎曲程度、床面坡度、河床沖淤情況以及整治河道的人工建筑物等諸多因素有關(guān)。因而，糙率的選取十分復(fù)雜[2～4]。

本文常糙率水力學(xué)模型中糙率取值的思路是：考慮計(jì)算河段的洪水實(shí)際情況，分析歷年來遭遇洪水的洪峰流量大小，采用恒定非均勻流的方法對(duì)該流量級(jí)下河段的糙率進(jìn)行率定計(jì)算。若洪峰水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差值在可接受的范圍內(nèi)，河段常糙率的選取工作則完成，否則需對(duì)糙率進(jìn)行局部修正并重復(fù)上述過程，直至洪峰水位的計(jì)算誤差在可接受的范圍內(nèi)。

鑒于洪水洪峰量級(jí)的隨機(jī)和不確定性，常糙率水力學(xué)模型應(yīng)用在實(shí)際預(yù)報(bào)工作中存在的局限性，建立了變糙率水力學(xué)模型。

本文變糙率水力學(xué)模型中糙率取值的思路是引入函數(shù)關(guān)系。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的可操作性，考慮變糙率的洪水過程預(yù)測(cè)問題。模型針對(duì)具體的流量級(jí)，對(duì)各流量級(jí)的初始糙率值進(jìn)行率定計(jì)算，率定方法與常糙率的率定過程相同，進(jìn)而得到各流量級(jí)的系列糙率。再分流量級(jí)擬定變糙率基于系列糙率的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用多次洪水過程率定出不同流量級(jí)的最優(yōu)糙率關(guān)系式。利用該方法，模型實(shí)現(xiàn)了不同流量下糙率參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算

(3)

式中,nr為糙率初始參照值；ai,bi為常數(shù)；不同流量級(jí)取值不同，根據(jù)各流量級(jí)歷史洪水資料率定確定；q為流量；Q1,Q2為流量級(jí)范圍上下限。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文通過建立嘉陵江典型河段水力學(xué)模型，開展水力學(xué)模型在長(zhǎng)江上游洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究。

嘉陵江發(fā)源于秦嶺山脈陜西省鳳縣代王山南側(cè)東峪溝，干流全長(zhǎng)1 120 km，天然落差約2 300 m，是長(zhǎng)江水系流域面積最大的一條支流。近年來，嘉陵江河段已逐步建成梯級(jí)電站。草街航電樞紐位于重慶合川區(qū)境內(nèi)草街鎮(zhèn)附近的嘉陵江干流河段上，是嘉陵江干流規(guī)劃自下而上開發(fā)的第2個(gè)梯級(jí)，上游回水在嘉陵江上緊接利澤梯級(jí)、渠江上緊接富流灘梯級(jí)、涪江上緊接渭沱梯級(jí)，下游尾水與井口梯級(jí)正常蓄水位相接。樞紐工程上距合川區(qū)約27 km，下距重慶市(嘉陵江河口)約68 km。

東津沱水位站位于草街庫(kù)區(qū)，是重慶市合川區(qū)防洪的重要依據(jù)站。自草街電站2012年全面投入運(yùn)行以來，東津沱站受草街水庫(kù)變動(dòng)回水影響，采用常規(guī)的水文學(xué)方法進(jìn)行水位預(yù)報(bào)難度很大。

《綠野仙蹤》整體上以主人公冷于冰求仙得道的故事作為主線，先在前十回講述冷于冰從仕途不得志到看破紅塵，再到四處訪道，終于獲得道術(shù)的過程；之后遵照火龍真人“廣積陰德”的指示將度化眾人的故事串聯(lián)起來，形成一個(gè)整體，最后以冷于冰得到敕封上仙結(jié)束。這與《西游記》等神魔小說的結(jié)構(gòu)基本一致，只是《綠野仙蹤》中的故事有先后順序，各個(gè)故事之間有承接關(guān)系，不能隨意調(diào)換。

3.1 計(jì)算范圍

東津沱站位于草街電站庫(kù)區(qū)，綜合考慮草街電站可能影響范圍、河段河勢(shì)及水文站點(diǎn)等因素，計(jì)算范圍包括壩址附近到上游涪江匯合口河段，長(zhǎng)約24.36 km，共布置了81個(gè)斷面(詳見圖1)。

圖1 嘉陵江斷面布置

3.2 計(jì)算邊界條件及水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式

模型上邊界為草街電站的入庫(kù)流量，下邊界為草街電站的壩前水位。

草街電站平、枯期(11月～次年4月)水庫(kù)水位維持在正常蓄水位 203 m運(yùn)行。

汛期(5～10月)，當(dāng)入庫(kù)流量小于6 000 m3/s時(shí)，閘前維持正常蓄水位203 m運(yùn)行；當(dāng)入庫(kù)流量在6 000～10 000 m3/s時(shí)，泄洪沖沙閘部分開啟泄洪沖沙，閘前水位維持202 m運(yùn)行；當(dāng)入庫(kù)流量在10 000～15 000 m3/s時(shí)，加大下泄，閘前水位維持200 m運(yùn)行；當(dāng)入庫(kù)流量大于15 000 m3/s，電站逐步停機(jī)，水庫(kù)敞泄沖沙。

3.3 模型率定

根據(jù)草街電站汛期調(diào)度運(yùn)行方式，在入庫(kù)流量小于6 000 m3/s時(shí)，閘前維持正常蓄水位203 m運(yùn)行。東津沱水位變幅相對(duì)不大，實(shí)際工作中相對(duì)更關(guān)注入庫(kù)流量大于6 000 m3/s時(shí)受電站運(yùn)行影響下東津沱水位的變化情況。因此，嘉陵江典型河段水位預(yù)報(bào)模型主要是對(duì)該河段發(fā)生的洪水來量(即草街壩上入庫(kù)流量)不小于5 000 m3/s的情況進(jìn)行分析，建立東津沱水位預(yù)報(bào)模型，采用嘉陵江2014年與2015年6～10月發(fā)生的13場(chǎng)洪水的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行的率定(詳見表1)。

3.4 模型驗(yàn)證

本文采用嘉陵江2012年與2013年5～10月發(fā)生的3場(chǎng)典型洪水過程實(shí)測(cè)資料分別對(duì)常糙率及變糙率模型的糙率值進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算[5～6]。

表1 模型率定參數(shù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分析表

圖2 2012“7.6”洪水過程中洪水位計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

圖3 2012“9.3”洪水過程中洪水位計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

圖4 2013.7洪水過程中洪水位計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

2012年7月、9月和2013年7月發(fā)生的3場(chǎng)典型洪水過程的洪水位常糙率計(jì)算值、變糙率計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖2～4。

對(duì)2012年7月、9月和2013年7月的3場(chǎng)洪水過程洪水位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行誤差分析后得出：常糙率水力學(xué)模型洪水位計(jì)算值與實(shí)際值誤差不超過0.30 m 所占比為 21.9% ；誤差不超過 0.40 m所占比為28.3%；誤差不超過0.50 m所占比為34.2%；變糙率水力學(xué)模型洪水位計(jì)算值與實(shí)際值誤差不超過0.30 m所占比為58.3%；誤差不超過0.40 m所占比為 72.7%；誤差不超過 0.50 m所占比為 82.4%。

綜上所述，嘉陵江典型河段變糙率水力學(xué)模型在東津沱水位預(yù)報(bào)上的精度明顯高于常糙率模型，模型可在實(shí)際預(yù)報(bào)中參考使用。

4 結(jié) 語(yǔ)

研究了水力學(xué)模型在嘉陵江典型河段水位預(yù)報(bào)中的應(yīng)用并對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化。采用歷年洪水實(shí)測(cè)資料對(duì)優(yōu)化之后的變糙率水力學(xué)模型進(jìn)行率定驗(yàn)證，模擬計(jì)算的嘉陵江東津沱站的水位具有一定的精度，可作為預(yù)報(bào)方法之一進(jìn)行使用，同時(shí)，為了提高洪水預(yù)報(bào)的精度，有必要對(duì)水力學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。

由于水文預(yù)報(bào)的高度復(fù)雜性，水文預(yù)報(bào)中仍有許多值得研究和探索的問題，單一模型難以解決，因此，應(yīng)結(jié)合多種方法，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以提高預(yù)報(bào)精度。水力學(xué)模型研究在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用前景十分廣闊，意義重大。

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(編輯：朱曉紅)

2017-01-09

姜利玲，女，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，工程師.

1006-0081(2017)04-0013-04

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