水力學耦合水文學模型在沮漳河河溶水文站洪水水位預報的應用研究

李永凱 王 拓 肖 曬

(1.宜昌市水文與水資源勘測局，湖北 宜昌 443003；2.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443003)

沮漳河位于長江中游荊江河段，洪水頻發(fā)，防洪問題未得到根本性解決。近年來，尤其是2007年、2008年汛期，沮漳河兩河口頻頻出現(xiàn)高水位，對河溶鎮(zhèn)及中下游近30萬人的生命財產(chǎn)構成威脅。因此，有必要對沮漳河河溶站的防洪能力進行研究。

河段洪水預報主要是通過河流上斷面的入流來預報一定時間(預見期)后下斷面的出流。目前，我國主流河段洪水預報方法多為流量演算法和相應水位法。

流量演算法是根據(jù)蓄泄關系以及水量平衡原理，研究河段水量與能量規(guī)律，對河段非恒定流提出的一種近似求解方法。從20世紀60年代起，我國水文學家就對其進行了比較深入的討論和研究，研究的重點主要是馬斯京根法參數(shù)的估計[1]。相應水位(流量)法是通過建立水位經(jīng)驗關系，用上斷面水位來預報下斷面水位的方法[2]，是目前我國水位預報普遍應用的方法之一。

河溶站水位變化受上游來水影響，還受下游長江回水頂托影響明顯?；厮斖惺呛樗谧陨隙碌膫鞑ミ^程中，遇到某種障礙后向上游反流的一種水文現(xiàn)象，多出現(xiàn)在平原河道、感潮河道或有閘壩控制的河道中。變動回水對預報斷面下游水位產(chǎn)生影響，進而導致預報斷面水位誤差變大，水位流量關系混亂。

因此，為提高河溶水文站洪水預報精度，本文提出建立變糙率水力學模型來進行河溶站洪水水位預報。

1 技術路線

河溶水文站洪水預報方法先采用降雨徑流模型預報洪峰流量，然后采用水力學模型推算相應流量下的洪峰水位。

降雨徑流模型采用API模型，水力學模型采用一維水動力學模型，水力學模型采用HEC-RAS軟件進行建模計算。為了建立計算模型，需要建立準確的河道地形模型，本文采用Civil3D軟件進行河道建模。為了得到更加精確的預報結果，一維水動力學模型中最重要的就是糙率參數(shù)的選取，本文采用變糙率方法進行糙率參數(shù)的選取。

本文采用API模型進行沮漳河河溶水文站流量預報，選取河溶站1998—2016年共19年31場洪水樣本數(shù)據(jù)資料進行參數(shù)率定和預報精度評定，洪峰流量預報精度為80.64%，滿足預報要求。

河溶水文站目前洪峰水位預報使用的方法不夠成熟，因此本文嘗試采用水力學模型進行預報。預報原理采用洪峰流量來推算洪峰水位，以河溶水文站預報流量及下游斷面的預報水位或穩(wěn)定江河水位作為邊界條件，使用HEC-RAS程序逐段試算法推求沿程水位。

糙率是衡量河床粗糙程度以及對水流阻力的關鍵系數(shù)，因斷面規(guī)則程度、水生植物類型以及水流流態(tài)等眾多因素的不同而不同。河道糙率選取在HEC-RAS程序逐段試算法中的影響重大，但糙率是一個間接值不能直接求得，因此，糙率的優(yōu)化率定也成為洪水水位預報面臨的問題之一[3-6]。

本文常糙率水力學模型中糙率率定方法為：分析歷年來沮漳河和長江的實際洪水情況，對當前流量級下的河段進行恒定非均勻流的糙率率定，若得到的洪峰水位的預報誤差在合理范圍內(nèi)，將此糙率視為當前河段常糙率，否則需對計算值進行調(diào)試并重復上述步驟，直到滿足預報要求。

作為對比，本文建立了變糙率水力學模型。變糙率水力學模型中糙率率定引入流量與糙率函數(shù)關系，針對不同的流量級，根據(jù)歷史洪水過程來率定糙率關系式。

(1)

式中：nr為糙率初始參照值;xi、yi為常數(shù)，根據(jù)各流量級歷史洪水資料率定;q為流量;Q1、Q2為流量級上下限。

2 實例分析

河溶水文站汛期受長江水位頂托影響，流域水情條件復雜，常規(guī)的水文學方法進行水位預報精度不夠。因此，本文采用水力學模型進行洪峰水位預報[7]。預報流程是首先利用API模型進行流量預報，然后采用水力學方法推算河溶站水位。本文以同時刻河溶站洪峰流量及下游長江水位作為邊界條件推求水面線。計算范圍從河溶站到鴨子口河段，長約6.5km，共布置了43個斷面，詳見圖1。

圖1 沮漳河斷面布置

采用Civil3D軟件中的建模功能來模擬HEC-RAS的河道建模[8]。在利用Civil3D軟件進行建模前，需要準備相應河道的地形點文件或者三角網(wǎng)文件，在地形圖上確認斷面位置、河道中心線以及河道范圍。

a.在Civil3D軟件中，導入河道的地形點文件，生成模擬河道的地形曲面，見圖2。

圖2 河道地形曲面

b.使用路線創(chuàng)建功能模擬創(chuàng)建河道，選擇河道中心線，并確定上下游方向，生成樁號以確定斷面位置，見圖3。

圖3 生成帶樁號的路線

c.以路線建立橫斷面的“采樣線編組”，見圖4。

圖4 橫斷面

d.設置河道左右岸，繪制河道范圍以確定岸邊距。

e.導出GIS數(shù)據(jù)(*.geo)，輸入到HEC-RAS程序中，以實現(xiàn)河道的快速建模。

在建模完成后，本文采用HEC-RAS軟件推算相應洪峰流量下河溶站洪峰流量，水力學推算涉及下游水位邊界條件和河道糙率選取。

長江位于研究河道的下游，水量巨大，沮漳河來水基本不會對其水位造成影響，且長江沙市水文站-枝城水文站水位關系良好。因此將沙市水文站、枝城水文站兩斷面水位進行插補得到的插補水位作為HEC-RAS軟件計算下游邊界條件。由于長江水位在短時內(nèi)變幅不大，且經(jīng)資料分析較小變幅的長江水位對上游河溶斷面水位影響很小，因此本文假定較小變幅的長江水位對上游河溶斷面水位影響很小。

因此考慮到預報預見期，下游邊界條件長江水位的選取分為兩種：?因三峽水庫的調(diào)度，在長江沙市水文站水位變化不大時，采用當前長江沙市、枝城水文站水位代替未來12h后的長江沙市、枝城水文站水位；?當長江水位變化較大時，采用長江沙市、枝城水文站的預報水位。

采用2003年7月5日6時河溶站洪峰流量475m3/s作為計算值，同時刻下游長江水位46.24m作為邊界條件，采用常糙率推求河溶站水面線，得到河溶站預報水位為45.53m，見圖5。與河溶站實測值44.88m對比，可見預報精度一般。為進一步提高洪水預報的精度，采用變糙率模型進行水面線的推算。

本文采用沮漳河2016年7—8月發(fā)生的3場洪水過程的實測資料，以變糙率模型進行率定。通過試算，本文常糙率采用的數(shù)值為0.035。

圖5 河溶站預報水位

當流量小于500m3/s時，糙率取0.038，xi為3.15，yi為3.40，得到此流量級下的最優(yōu)糙率關系式為

n=1.08nr(q<500m3/s)

(2)

當流量為500～1000m3/s時，糙率取0.043，xi為6.73，yi為8.61，得到此流量級下的最優(yōu)糙率關系式為

n=1.28nr(500m3/s

(3)

當流量大于1000m3/s時，糙率取0.051，xi為7.76，yi為11.31，得到此流量級下的最優(yōu)糙率關系式為

n=1.45nr(q>1000m3/s)

(4)

為了便于分析對比計算值與實測值之間的差值，將數(shù)據(jù)分為3段，第一段為7月1日12時至7月2日17時的數(shù)據(jù)；第二段為7月19日12時至7月21日14時的數(shù)據(jù)；第三段為8月4日16時至8月6日18時的數(shù)據(jù)。具體見圖6。

圖6 計算實測對比

2003年7月、2004年8月發(fā)生的2場洪水過程的洪水水位預報的常、變糙率計算值與實測值對比見圖7、圖8。

對2場洪水水位預報進行誤差分析得出以下結論：采用常糙率模型進行河溶站洪水水位預報時，預報值與實測值誤差小于0.3m的比例為38.7%；誤差小于0.4m的比例為49.8%；誤差小于0.5m的比例為65.5%。采用變糙率模型進行河溶站洪水水位預報時，預報值與實測值誤差小于0.3m的比例為49.7%；誤差小于0.4m的比例為71.1%；誤差小于0.5m的比例為84.2%。由此可見，在河溶站洪水水位預報的合格率中變糙率模型要高于常糙率模型，預報結果更為合理。

圖7 2003年7月洪水過程中洪水位預報值與實測值對比

圖8 2004年8月洪水過程中洪水位預報值與實測值對比

3 結 語

變動回水下，水位流量關系混亂，不構成單一關系，導致預報斷面洪峰水位預報結果不理想。為減小變動回水的影響，本文提出結合水文模型和水力學模型對沮漳河流域進行洪水水位預報。經(jīng)實例對比研究，水文學模型與水力學模型相結合進行洪水水位預報具有一定的實際應用價值。