基于斷面法的長(zhǎng)江分汊河道沖淤計(jì)算方法

白亮　王偉　原松　李圣偉

摘要：長(zhǎng)江河道槽蓄量、沖淤量計(jì)算是長(zhǎng)江水文泥沙監(jiān)測(cè)和河道演變分析研究工作信息化的重要基礎(chǔ)。為了提高長(zhǎng)江河道沖淤計(jì)算的準(zhǔn)確性，在傳統(tǒng)斷面法計(jì)算的基礎(chǔ)上，針對(duì)分汊河道平面形態(tài)，引入分汊河道分流比參數(shù)，提出了一種基于斷面法的復(fù)雜河道沖淤計(jì)算方法。該方法通過(guò)組織管理長(zhǎng)江河道水文斷面數(shù)據(jù)，計(jì)算并引入分汊河道分流比，分別計(jì)算起止斷面間的長(zhǎng)江河道不同測(cè)次的河道槽蓄量、沖淤量?；跀嗝娣?，在長(zhǎng)江水文泥沙管理信息系統(tǒng)GeoHydrology軟件中實(shí)現(xiàn)了含有分汊河道的沖淤計(jì)算，可支持Excel表格方式的水文斷面數(shù)據(jù)的處理和分析。結(jié)果表明：該方法對(duì)于具有分汊形態(tài)的長(zhǎng)江河道沖淤計(jì)算是快捷和有效的，提高了長(zhǎng)江復(fù)雜河道水文泥沙計(jì)算的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：槽蓄量; 沖淤量; 斷面法; 分汊河道; 長(zhǎng)江

中圖法分類號(hào)： TV147

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.002

0引 言

長(zhǎng)江河道沖淤分析是通過(guò)計(jì)算河道中水體在某計(jì)算水位下的槽蓄量、沖淤量，進(jìn)一步計(jì)算及繪制河道槽蓄量高程曲線圖、槽蓄量沿程分布圖、沖淤量高程曲線圖、沖淤量沿程分布圖等，是水文專業(yè)進(jìn)行河道演變分析、流域開發(fā)、防洪調(diào)度及河道治理的重要工作[1]，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江流域水文泥沙信息化管理的重要內(nèi)容[2-3]。河道槽蓄量是指在某個(gè)測(cè)次和計(jì)算水位的河道水體體積，沖淤量則是兩個(gè)測(cè)次的槽蓄量的差。因此，槽蓄量的計(jì)算是沖淤量、河道槽蓄量高程曲線圖等沖淤分析及圖件編繪的基礎(chǔ)。

目前，河道槽蓄量的計(jì)算主要有斷面法和地形法兩種方法。斷面法是計(jì)算河道槽蓄量的常用方法，它基于河道水文固定斷面地形觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)上的梯形或截錐體積計(jì)算公式直接計(jì)算起止斷面間的河道槽蓄量。地形法利用河道地形DEM 進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算DEM 每個(gè)三角形區(qū)域上的槽蓄量，然后求和，得到整個(gè)選定區(qū)域河道的槽蓄量。地形法充分利用精度較高的地形數(shù)據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)沖淤結(jié)果的可視化，但數(shù)據(jù)的預(yù)處理比較復(fù)雜，操作步驟和過(guò)程比較麻煩，嚴(yán)重依賴于全流域的河道地形DEM數(shù)據(jù)。斷面法計(jì)算槽蓄量和沖淤量的優(yōu)點(diǎn)在于僅需測(cè)量河道各固定斷面，測(cè)量成果不需要大量人工處理，數(shù)據(jù)處理工作量少，算法簡(jiǎn)單實(shí)用[1]。針對(duì)長(zhǎng)江流域已建成完備的水文測(cè)站網(wǎng)和具備充分的固定斷面數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，本文著重探討了基于斷面法的全流域范圍內(nèi)的槽蓄量和沖淤量等的水文計(jì)算方法。

傳統(tǒng)的斷面法依賴于河道各固定斷面，不支持具有洲灘、心灘等分汊形態(tài)的河道沖淤計(jì)算。長(zhǎng)江河道全長(zhǎng)6 300 km，跨近10個(gè)高斯3°分帶，河道地形復(fù)雜，干流分汊是常見的河道形態(tài)。目前，對(duì)于河道分汊研究較多是分析其形態(tài)、沖淤機(jī)制、整治對(duì)策等，沖淤計(jì)算一般是針對(duì)特定的河段，對(duì)于長(zhǎng)江流域長(zhǎng)程范圍內(nèi)的河道沖淤計(jì)算方法研究較少。魏林云等從多個(gè)角度探討了長(zhǎng)江下荊江監(jiān)利河段烏龜洲汊道變化的原因[4]，余夢(mèng)清等分析了長(zhǎng)江下游分汊河段支汊演變特點(diǎn)及整治對(duì)策[5]，金中武等總結(jié)了三峽水庫(kù)淤積排沙及河型轉(zhuǎn)化規(guī)律[6]，吳昌洪等基于平面二維數(shù)值模擬研究分析了長(zhǎng)江世業(yè)洲分汊河道水流特性[7]，陳望春等采用斷面法和地形法計(jì)算并對(duì)比分析了漢江下游沙洋至漢口河段槽蓄量[8]。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)含有分汊河道的長(zhǎng)江河流形態(tài)及長(zhǎng)程范圍，通過(guò)統(tǒng)一組織河道及其分汊斷面數(shù)據(jù)，引入計(jì)算分汊河道分流比參數(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)的斷面法，從而計(jì)算長(zhǎng)江干流或支流上任意起止斷面間的河道槽蓄量和沖淤量，提高長(zhǎng)江復(fù)雜河道水文計(jì)算的普適性和精度，為長(zhǎng)江全流域復(fù)雜河流的水文泥沙計(jì)算和分析提供了有效途徑。

1斷面法槽蓄量和沖淤量計(jì)算

斷面法沖淤計(jì)算的基本原理：通過(guò)人工將觀測(cè)河道劃分為若干橫斷面（見圖1）[1]，這些斷面的位置確定后一般是不變的，稱為固定斷面。斷面法就是基于這些固定斷面，通過(guò)將不同測(cè)次測(cè)量的斷面地形進(jìn)行套繪，使用梯形公式或截錐公式計(jì)算相鄰斷面間的槽蓄量，再累加計(jì)算出整個(gè)河道的槽蓄量，進(jìn)而計(jì)算2個(gè)測(cè)次間的河道沖淤量。

1.1斷面面積計(jì)算

固定斷面的測(cè)量數(shù)據(jù)包括實(shí)測(cè)的斷面起點(diǎn)距、河底高程擬合地形線（即斷面剖面線），然后用給定的水位高程線與河底地形線求交，計(jì)算在水位線以下的斷面面積。斷面如果跨過(guò)心灘，則分段處理。固定斷面面積計(jì)算示意圖如圖2所示。

2長(zhǎng)江河道固定斷面數(shù)據(jù)的組織

洲灘在長(zhǎng)江河段中較為常見，并由此形成河流分汊，如圖4所示。以三峽庫(kù)區(qū)干流江津-大渡口間的大中壩汊道為例，上斷面為S354，下斷面為S351，在2個(gè)分汊河段上現(xiàn)有固定斷面（主分汊上的S353、S352斷面及副分汊上的S353+1、S352+1斷面）。

目前，分汊河道槽蓄量計(jì)算一般采用3種方法：① 基于斷面法，計(jì)算機(jī)直接使用分汊河段的上斷面（S354斷面）和下斷面（S351斷面）計(jì)算該段的槽蓄量和沖淤量，計(jì)算區(qū)域與實(shí)際河道區(qū)域（陰影部分）對(duì)比如圖5所示，過(guò)水面積未考慮洲灘面積的影響，且沒有充分利用分汊河段的固定斷面數(shù)據(jù)。② 計(jì)算機(jī)使用汊道的上下斷面與主分汊上的S353、S352斷面計(jì)算該段的槽蓄量、沖淤量。由于副分汊未參與計(jì)算，導(dǎo)致最終槽蓄量計(jì)算結(jié)果偏小。③ 人工識(shí)別并分段計(jì)算汊道槽蓄量、沖淤量，操作繁瑣，工作量較大。

針對(duì)傳統(tǒng)斷面法不能很好處理分汊河段的沖淤計(jì)算問(wèn)題，本文根據(jù)多個(gè)分汊的各自分流比及其所屬的分汊斷面數(shù)據(jù)，綜合計(jì)算復(fù)雜河段的槽蓄量和沖淤量，在一定程度上提高了長(zhǎng)江河段水文分析計(jì)算的準(zhǔn)確度。計(jì)算原理是：對(duì)于無(wú)洲灘的較為簡(jiǎn)單河段，采用常規(guī)斷面法計(jì)算槽蓄量和沖淤量;對(duì)于洲灘區(qū)域河段，根據(jù)河段洲灘上游的上斷面、下游的下斷面以及分汊河段上的中間斷面，引入分汊分流比參數(shù)計(jì)算上下斷面在各分汊上的過(guò)水面積，再根據(jù)上下斷面間的槽蓄量是各分汊槽蓄量之和，通過(guò)分別計(jì)算上下斷面間各分汊河段內(nèi)的槽蓄量和沖淤量，最后累加計(jì)算出該河段槽蓄量和沖淤量。

固定斷面數(shù)據(jù)除了包括斷面編碼、斷面名稱、所在河流、至參考點(diǎn)距離、計(jì)算水位以及不同測(cè)次下的斷面數(shù)據(jù)等基本信息[11]以外，本文用數(shù)字序號(hào)標(biāo)識(shí)不同的分汊，對(duì)于分汊河段上的斷面，增加了相對(duì)支汊端至參考點(diǎn)距離、汊道分流比以及汊道標(biāo)識(shí)等信息。改進(jìn)后的固定斷面的實(shí)體關(guān)系如圖6所示。

3分汊河段槽蓄量和沖淤量計(jì)算

3.1斷面分級(jí)分汊規(guī)則

表1為河道斷面信息表，對(duì)所有斷面進(jìn)行編碼，包括“斷面碼”（斷面的唯一標(biāo)識(shí)）“斷面名稱”“河流名稱”“至參考點(diǎn)距離”“汊道標(biāo)識(shí)”“相對(duì)支汊端至參考點(diǎn)距離”“斷面位置”“計(jì)算水位”（允許有多個(gè)計(jì)算水位）等信息，并將斷面按所在河流從上游到下游的順序排序。

（1） “汊道標(biāo)識(shí)”字段用來(lái)標(biāo)記河段各汊道，一般為空，表示河流上一般的固定斷面，即河流沒有分汊;該字段如有數(shù)字，則表示是河流分汊上的斷面，使用1，2，3等數(shù)字標(biāo)記不同汊道，汊道1為主分汊，其他序號(hào)表示副分汊，在同一分汊上的所有斷面的“汊道標(biāo)識(shí)”應(yīng)相同。

（2） 如果是河流分汊上的斷面，則“分流比”字段記錄了所在分汊占流經(jīng)所有汊道的總水量的比值，如主分汊的分流比為0.7，副分汊的分流比為0.3，一個(gè)分汊上只需保留一個(gè)分流比即可。

（3） “至參考點(diǎn)距離”是各斷面至計(jì)算參考點(diǎn)的河道長(zhǎng)度。由于多級(jí)分汊河段的長(zhǎng)度具有較大差異，本文對(duì)于主分汊仍按一般固定斷面處理，而不同副分汊上的斷面則使用“相對(duì)支汊端至參考點(diǎn)距離”以記錄副分汊河段各個(gè)斷面的里程。河段上斷面（如斷面S354）是分汊的開始斷面，河段下斷面（如斷面S351）是各分汊匯聚后的斷面。因此，下斷面不僅有在干流上的“至參考點(diǎn)距離”，也有在分汊上的“相對(duì)支汊端至參考點(diǎn)距離”，以便與分汊斷面進(jìn)行對(duì)比參照和計(jì)算。

3.2分汊河段分流規(guī)則

對(duì)于分汊段上的沖淤計(jì)算，源數(shù)據(jù)包括該支汊的所有斷面，以及分汊河段在洲灘上游的首端斷面和在洲灘下游的末端斷面。為了能夠計(jì)算出各支汊上的槽蓄量、沖淤量，需要引入河流水沙在各支汊的分流比參數(shù)。

3.4斷面法沖淤計(jì)算模塊的實(shí)現(xiàn)

采用上述計(jì)算方法，在長(zhǎng)江水文泥沙管理信息系統(tǒng)GeoHydrology軟件[13]中實(shí)現(xiàn)了含有分汊河道的長(zhǎng)江河段沖淤計(jì)算，能輸出相鄰斷面間及河道全程的槽蓄量和沖淤量。該系統(tǒng)支持水文泥沙數(shù)據(jù)庫(kù)，也支持Excel表格方式提供水文斷面數(shù)據(jù)的處理和分析。計(jì)算出的河道槽蓄量和沖淤量還可進(jìn)一步用于長(zhǎng)江河道的數(shù)值模擬和泥沙沖淤可視化展示[14-15]。

為了便于長(zhǎng)江水文部門的快捷計(jì)算，GeoHydrology提供了Excel表格數(shù)據(jù)作為沖淤計(jì)算的源數(shù)據(jù)。將所用的固定斷面以及測(cè)次水位數(shù)據(jù)存放在Excel數(shù)據(jù)文件里，可由4個(gè)表組成：“斷面信息表”“第一測(cè)次”“第二測(cè)次”“庫(kù)容成果”。其中：“斷面信息表”如表1所列，描述了固定斷面的信息（斷面名稱、所在河流、至參考點(diǎn)距離、分汊標(biāo)識(shí)、分汊端距離以及不同的計(jì)算水位等）。“第一測(cè)次”和“第二測(cè)次”表里記錄的是2個(gè)測(cè)次下的斷面線信息，包括斷面名稱、測(cè)次時(shí)間、編號(hào)、斷面線端點(diǎn)坐標(biāo)、斷面線測(cè)量點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)列、備注等，如圖7所示?！皫?kù)容成果”表將存放復(fù)雜河段沖淤計(jì)算的結(jié)果，包括兩個(gè)測(cè)次在不同計(jì)算水位下相鄰斷面間的槽蓄量、沖淤量及整個(gè)河道的槽蓄量和沖淤量等數(shù)據(jù)。

如圖8所示，GeoHydrology系統(tǒng)提供復(fù)雜河段沖淤計(jì)算對(duì)話框，選擇要計(jì)算的河流以及該河流上斷面和下斷面，即可計(jì)算該河流在此河段內(nèi)不同計(jì)算水位及兩個(gè)測(cè)次下的槽蓄量和沖淤量。

計(jì)算結(jié)果自動(dòng)保存在Excel數(shù)據(jù)文件“庫(kù)容成果”表中，如圖9所示。針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)干流江津-大渡口間的大中壩汊道河段（從固定斷面S354到S349），計(jì)算出了相鄰固定斷面不同計(jì)算水位下（圖9中4個(gè)計(jì)算水位分別為176，179，182 m和185 m）的槽蓄量、沖淤量，以及該段槽蓄量和沖淤量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可為水文專家進(jìn)行河流水文泥沙分析和決策預(yù)測(cè)提供可靠的水沙計(jì)算成果數(shù)據(jù)。

3.5與地形法槽蓄量計(jì)算的對(duì)比分析

從長(zhǎng)江水文泥沙數(shù)據(jù)庫(kù)中提取三峽庫(kù)區(qū)干流江津-大渡口間的大中壩汊道河段（從固定斷面S354到S349）與圖9中相近時(shí)間段下的高精度實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，如圖10所示。

采用地形法[1]（圖10中的紅色計(jì)算區(qū)域，DEM格網(wǎng)精度為10 m，且要剔除粉紅色范圍內(nèi)的洲灘區(qū)域）計(jì)算該分汊河段在不同計(jì)算水位下的槽蓄量，并與本文方法進(jìn)行對(duì)比（見表2）。

從表2與精度較高的地形法槽蓄量計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可見，本文針對(duì)分汊河段提出的斷面法槽蓄量計(jì)算結(jié)果差異較小，證明了該方法的有效性。

4結(jié) 語(yǔ)

基于長(zhǎng)江河道斷面數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)分汊河道的數(shù)據(jù)組織和管理，計(jì)算并引入分汊河道分流比參數(shù)，采用改進(jìn)的斷面法分別計(jì)算起止斷面間的長(zhǎng)江河道不同測(cè)次的河道槽蓄量，并計(jì)算出兩個(gè)測(cè)次間的沖淤量。該方法算法簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，精度較高，能夠支持長(zhǎng)江河道全程固定斷面間包含多個(gè)分汊的河道槽蓄量、沖淤量等水文專業(yè)計(jì)算，提高了長(zhǎng)江復(fù)雜河道水文泥沙計(jì)算的準(zhǔn)確性，為開展長(zhǎng)江全程水文泥沙監(jiān)測(cè)和河道演變分析研究工作提供了技術(shù)支撐和信息化分析計(jì)算工具。

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（編輯：李 慧）

Abstract：The calculation of channel storage and erosion-deposition amount of the Changjiang River is an important basis for the informatization of hydrological and sediment monitoring and river evolution analysis.In order to improve the accuracy of the calculation of channel erosion-deposition amount in the Changjiang River，based on the traditional cross-section method and according to the plane shape of braided channel，a calculation method of complex channel erosion-deposition amount is proposed by introducing the parameters of the braided channel diversion ratio.By organizing and managing the hydrological section data of the Changjiang River，we calculates and introduces the diversion ratio of the braided channel by this method，calculates the channel storage and erosion-deposition amount between the start and end sections of different measurement times.Using this method，the calculation of erosion-deposition amount of the braided channel is realized in the software GeoHydrology of Information Analysis and Management System on Hydrology and Sediment of the Changjiang River，which can support the processing and analysis of hydrological section data in Excel form.The results show that this method is effective and fast for the calculation of erosion-deposition amount of the Changjiang River channel with branching shape，and can improve the accuracy of hydrological and sediment calculation for the complicated channel of the Changjiang River.

Key words：river channel storage amount;erosion-deposition amount;section method;braided channel;Changjiang River