受變動回水影響的洪水位預報研究

王世策

（福建水利電力職業(yè)技術學院 永安 366000）

受變動回水影響的洪水位預報研究

王世策

（福建水利電力職業(yè)技術學院 永安 366000）

理論上講，受變動回水的影響的洪水位預報，可以通過受影響河段水面落差反映其影響程度，并加以改正。但實際上，河段的落差無法預報。本文闡述了用水面線計算方法來解決這一問題的途徑，經(jīng)過多年來的作業(yè)預報應用，取得了較好的效果。

變動回水 洪水位預報 水面線計算

隨著水利水電事業(yè)的發(fā)展，江河水能資源的開發(fā)和梯級水電站的建設方興未艾，大小河流上水庫、攔河壩眾多。受水電站變動回水影響的水文站也越來越多，原有的單一關系被破壞，即對同一流量其洪水位因下游電站壩上水位的不同而不同，因此洪水位預報難度增大。

1 變動回水影響的一般概念

洪水位預報斷面下游水體水位的變化，產生對預報斷面水面比降（落差）的影響，進而引起預報斷面水位的變化，使水位流量關系散亂，不成為單一的關系，對同一流量，比降（落差）大水位低，比降（落差）小水位高，下游水體對水位流量關系的這種影響，稱為變動回水的影響。產生變動回水的原因一般有：支流測站受干流漲水的頂托；干流測站受下游支流漲水的頂托；下游水庫、湖泊、海洋等水體的變化引起的頂托等。

受變動回水影響的水流，一般可認為屬于穩(wěn)定漸變流。因為下游水量的變化一般是緩變的，下游回水頂托引起比降的變化也是緩變的。因此，受變動回水影響時的流量與各水力因素之間的關系可用曼寧公式表示：

式中Q為流量，n為糙率，A為斷面面積，R為水力半徑，Se為能面比降。在斷面穩(wěn)定，河道順直時，一般n、A、R均為水位的函數(shù)，忽略流速水頭的沿程變化，用水面比降S代替能面比降Se，則某水位時因變動回水影響程度不同的

兩流量之比為：

用函數(shù)關系表示為 Q=g（Z，ΔZ）或 Z=f（Q，ΔZ）。

上式說明了受變動回水影響的水位不僅與上游來水（流量）有關系，還與水面落差有關系。

2 水面線計算方法的應用

受變動回水的影響的洪水位預報，從上述理論上講，可以通過受影響河段水面落差反映其影響程度，并加以改正。但實際上，河段的落差無法預報。用水面線計算方法成為解決這一問題的一種途徑。

2.1 伯努利方程式

天然河道蜿蜒曲折，其過水斷面形狀和底坡沿程變化，河道糙率沿程變化，流量也是沿程變化的。由于天然河道的上述特點，其水面線常用分段法計算，即采用天然河道非均勻漸變流的伯努利方程式：

式中:Zu、ZL為上、下斷面水位；Vu、VL為上、下斷面平均流速；hf為沿程水頭損失；hξ為局部水頭損失；Q為流量；A為斷面面積；L為斷面間距（河段長度）；n為糙率；R為水力半徑；ξ為擴散系數(shù)。

山區(qū)河流河道斷面多呈窄深型，在河流上所建水庫庫區(qū)一般屬河川型水庫，上述伯努利方程適用于此類庫區(qū)水面線計算。窄深型河道的斷面較為整齊，洪水情況下糙率、擴散系數(shù)等參數(shù)隨水位變化不大，因而在沒有足夠次數(shù)的洪水水面線資料供分析的條件下，同一河段各級洪水位糙率參數(shù)采用同一分析成果，基本可行。

2.2 河道糙率計算

在取得可靠的洪水水面線資料、流量資料、河道斷面資料的基礎上，分析計算河道糙率。將伯努利方程變形，導出河段糙率計算公式，由此計算公式計算出沿江各河段糙率。

2.3 預報流量及壩上起始水位的確定

將上游控制站的實測（或預報）流量合成，并考慮區(qū)間入流等因素預報下游站流量。水庫管理單位及有關部門，進行水庫洪水預報調度，可預計并控制壩上水位過程，根據(jù)提供的壩上控制水位，確定水面線計算的壩上起始水位。壩上水位取值誤差所帶來的水面線計算的誤差自下游到上游逐漸減小，對回水末端河段影響最小。

2.4 洪水位計算

采用前述伯努利方程式，根據(jù)已有的斷面資料、糙率資料，按以上確定的預報流量和壩上起始水位以及庫區(qū)支流來水量，從壩上斷面開始，自下游至上游逐段推算沿河洪水位，預報站斷面推算水位即為所求。每一河段水面線計算方法為：河段長度L經(jīng)量算確定；河段糙率n由歷史資料按（3）式計算求得；下斷面水位ZL為從壩上斷面開始，逐段推算的結果；流量Q由上述預報確定，遇較大支流匯入時，河段流量相應改變；根據(jù)上、下斷面情況選擇擴散系數(shù)ξ：逐漸擴散ξ=0.3～0.5，急劇擴散ξ=0.5～1.0，收縮河段局部水頭損失可以忽略，ξ=0。假定上斷面水位Zu,可計算出方程式兩邊的數(shù)值,若方程兩邊的數(shù)值相等或接近，則假定的Zu即為所求，否則，應重新假定Zu，重新計算，直至求出Zu為止。

表1 河段糙率計算表

表2 河段水面線計算數(shù)據(jù)表

3 應用實例

3.1 洪水位計算

現(xiàn)以某庫區(qū)一場洪水為例，說明其作業(yè)預報過程。1999年5月26日20時，預報5月27日5時預報站流量21300 m3/s，預計庫區(qū)區(qū)間主要支流相應入庫流量1200 m3/s，根據(jù)該水庫洪水預報調度，預計5月27日5時壩上水位60.9m，按照上述方法，計算沿江各斷面洪水位，直至預報站斷面。由于河段數(shù)甚多，僅列舉一個河段（30～31號斷面）進行洪水水面線計算，進一步說明方程中各參數(shù)的確定。

3.1.1 30號斷面至31號斷面河段長L=1880m。

3.1.2 河段糙率根據(jù)往年同期洪水資料按（3）式計算而得，該河段糙率計算的有關數(shù)據(jù)見表1。從上表數(shù)據(jù)可以看出，該河段屬逐漸擴散河段，ξ取0.3，將以上數(shù)據(jù)代入河段糙率計算公式求得n=0.038。

3.1.3 下斷面水位ZL=65.76m（從下游向上游逐段推算結果）。

3.1.4 流量Q=21300 m3/s（預報斷面至此河段無大支流加入，直接采用預報斷面流量）。

3.1.5 擴散系數(shù)ξ取0.3。

假定上游水位Zu，將以上參數(shù)代入（2）式，逐次逼近試算，當Zu=65.95m時，方程兩邊數(shù)值為66.15，Zu=65.95m即為所求。該河段有關水面線計算數(shù)據(jù)見表2。

按上述方法逐段計算至預報站斷面，得預報站斷面洪峰水位為71.15m，實測洪峰水位為71.27m，誤差為-0.12m。

3.2 洪水位作業(yè)預報精度評定

本預報方法在近年洪水位預報中應用的效果較好。根據(jù)《水文情報預報規(guī)范》作業(yè)預報精度評定方法，預報合格率達82%。

4 結語

水面線計算方法對于受變動回水影響的洪水位預報是一種行之有效的途徑，還可預報出沿江沿河各地的洪水位，為防汛服務。但該法對基礎資料要求高，計算量大，必須投入大量的人力、物力收集準確可靠的基礎資料，并經(jīng)過大量的數(shù)學計算，分析沿河水力參數(shù)和進行作業(yè)預報。將其編制成計算機軟件，用計算機計算，十分方便快捷，如能結合水庫洪水預報調度系統(tǒng)使用，則效果更佳

（專欄編輯：張 婷）