湿润地区河道流量演算方法研究

傅皓昕

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)



湿润地区河道流量演算方法研究

傅皓昕

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

摘要：采用马斯京根法分段连续演算是模拟湿润地区河道流量传播的有效途径，根据河道水流特性确定计算时段长及单元河段长可提高洪水错峰计算精度，分支独立建模有利于分析参数并简化模型结构，用历史洪水资料综合适配汇流参数曲线可增强模型的实用性。文章总结洪水预报实践经验，以大洋河水文站网为例，论述建模方法和经验体会。

关键词：河道；流量演算；模型建立；方法；探究

1研究的意义

研究好河道洪水传播规律，探索出上下游或干支流水文站网的流量演算模型，有利于及时将上游站已现的水文情势向下游模拟，为下游站洪水情势的准确预测提供技术支持，并为险区防汛决策赢得宝贵的预见期[1]。而在大型河网的河道汇流过程中，不仅存在洪水传播的位移和形变，也存在干、支流洪水相互顶托和制约，水力条件及运动规律相对复杂的课题。如果对各支流站的洪水运动做单独研究，不仅缺乏典型资料(支流独立发生洪水)，模型体系也无法更好地完善，且据此分析出的汇流模型也不能适合全流域普遍来水的实际；而如果采用全流域综合分析的方法，则存在各支流(控制站)的演算河长、河道形态、河底坡降各异的问题，且干支流洪水组合使得河道汇流参数(如抵偿河长L、洪峰传播时间τ等)难以分析确定。因此，如何建立一套既概念明确又精度可靠的河道流量演算模型，成为一个极具探求价值的技术课题[2]。文章总结洪水预报实践经验，以大洋河水文站网为例，论述建模方法和经验体会。

2理论依据

天然河道的洪水传播属不稳定流形态，洪水波的运动要素服从由运动方程和连续方程联立的不稳定流方程组，其表达形式如下：

(1)

马斯京根法对上述方程组做简化求解，以河段水量平衡方程代替连续方程，以河段槽蓄方程代替运动方程；并假定河段的示储流量Q′=x Q上+(1- x)Q下与其槽蓄量W呈线性关系，用W=KQ′简化槽蓄关系。在满足单元计算河长等于河段抵偿河长(在中断面水位相等时，不论涨水与落水，因下断面水位升或降引起的流量变化恰与因水面比降减小或增大所带来的流量变化相互抵偿)的前提下，河段流量演算公式推导结果如下[3]：

Q下，2=C0Q上，1+C1Q上，1+C2Q下，1

(2)

式中系数：

3建模实例

3.1概况

大洋河流域呈扇形，总面积6 202 km2，发源于岫岩满族自治县偏岭乡，河流全长201 km。主要支流有哨子河、亮子河、土牛河、小洋河等。大洋河流域示意图见图1。流域地处湿润山区，水系发达，汛期降水集中，洪水涨落急剧，汛期防汛形势十分严峻；区域内现有水文站3处，即沙里寨站、文家街站及岫岩站，其中岫岩站的前身为小虎岭站(小虎岭站1975年上迁并更名为岫岩站)；沙里寨站为干流下游控制站，其断面水量有文家街站、岫岩站2站的断面水量与区间来水量组合构成，该站洪水情报预报信息是下游龙王庙、黄土坎等险区防洪决策的重要依据[4]。

图1　大洋河流域示意图

大洋河干流上游的岫岩站控制面积908 km2，至沙里寨站河道距离68.65 km，河道平均比降0.001；小虎岭站控制面积1 310 km2，至沙里寨站河道距离59.4 km，河道平均比降0.0008；文家街站控制面积2 131 km2，至沙里寨站河道距离22.3 km，河道平均比降0.0006。

根据沙里寨站的防汛预见期要求，其短期洪水预报需采用上游站流量演算与区间降雨～径流预报合成的方式。文章就岫岩(小虎岭)→沙里寨、文家街→沙里寨的河道流量演算模型的建立方法进行论述[6]。

3.2参数分析与模型的建立

考虑洪水涨落急剧和单元河段入流数据按折线变化的特点，采用马斯京根法对不稳定流方程组做线性有限差解。由于各上游站到下游站的河段距离均较长(演算河段长度L>抵偿河长l)，故将其分成若干单元河段，用马斯京根法逐段连续演算；为推求单元河段的汇流参数Le、Ke及Xe，需首先推求整个河段的河长L、传播时间K及抵偿河长l，再根据洪水错峰计算的精度要求和L/l与K/⊿t基本相匹配的原则，综合确定计算时段长⊿t；按n≈K/⊿t分段后，便可按下式计算单元河段的汇流参数。

(3)

在推求上游站的汇流参数时，演算河长L由地形图量算，考虑洪峰传播时间K及抵偿河长l随着洪水量级而变，加之区间内河道地形勘测资料缺乏，我们首先根据上、下游水文站的综合水位流量关系线Z～Q和实测大断面资料Z～A，对Q～K曲线及Q～l曲线做初步分析，计算公式为：

(4)

(5)

在初步分析参数时，稳定流资料用历史实测洪峰资料来代替；上游站某流量级对应的下游站流量，用历次大洪水相应洪峰资料以二次抛物线拟合(因流域降水过程具有相应性，且干、支流来水的先后和洪水组合形式在不同场次洪水中千差万别，故很难对某个支流的洪水做独立分析，且由此得出的汇流参数也不具普遍性，因此，综合分析的方式更具实际意义)[7]。

3.3参数调试与模型完善

据上、下游水文站实测资料按上述方法分析出的汇流参数曲线Q～K、Q～l，只是初步参考值，(因天然河道弯曲迂折且河底坡降沿程变化复杂，各处断面收缩(或扩散)无常；而水文站测验断面均处于平稳顺直河段，由此抽样计算得出的参数很难反映整个河段的综合情况)，需要用历史实测洪水资料检验和调试。根据初步分析的Q～K、Q～l曲线形式及山区性河流洪水组合计算的精度要求，综合确定计算时段长⊿t=1h；按n≈K/⊿t进行分段，单元河段的汇流参数及流量演算公式便随之确定；为了应用方便计，各上游站的流量演算模型以河槽单位线u(t)形式给出 — 以上站的单位流量作为入流，经过n段连续演算所得出的在下断面的出流过程；有了河槽单位线u(t)，即可将各上游站的实测流量过程分别演算到下游站；最后，将各站演算下来的流量过程进行同时相叠加，就得到了上游站流量在下游站的模拟，再将模拟过程与下游站实测流量过程相对照，并判断各参数的合理性；依据K、l的物理意义和对河槽单位线u(t)的调节作用，对Q～K、Q～l曲线族进行调整，并再次订正模型，经过反复多次，最终达到各级洪水的峰值、峰现时间、波形的模拟结果都能与实测资料相适为止。大洋河流域各站河道汇流参数曲线如表1；河槽单位线特例见表2。

表1　大洋河流域各站汇流参数曲线表

表2　文家街～沙里寨 河槽汇流单位线

4模型效果评价

本流量演算模型的预报效果良好，从1958—2010年间历次洪水模拟看，不论洪水规模和暴雨强度、走势如何，各上游站演算下来的流量过程都能控制在沙里寨站实测流量过程以内，且上游来水叠加后与沙里寨站实测过程的波形对应，且加入期间入流后洪量基本平衡；由此构成的沙里寨站分块式模型(计入区间来水)与全流域降雨～径流模型相比，预报精度显著提高：按95%保证率统计，洪峰流量数值预报精度提高8%以上；峰现时刻预报精度提高8%以上[9]。

图2　大洋河1960年洪水模拟图

5结语

进行含支流汇入的湿润山区河道流量演算时，采用马斯京根分段连续演算法，分支独立建模并综合优化参数曲线是有效途径；只要大量借鉴历史实测资料，认真进行汇流参数曲线的分析和调试，模型的精度就能得到充分保证。在调配参数的过程中，要结合河道特性，并依据各种参数的物理概念及其对汇流曲线的作用，在合理的范围内统筹进行，以克服假象并避免走弯路。

参考文献：

[1]王晓宇.山西河流生命健康问题[J].水利规划与设计，2006(02)：14-17.

[2]董婷婷.基于DEM的清河流域大中小型河流特征值自动提取[J].水利规划与设计，2014(10)：26-29.

[3]李鲤.辽宁省堤防现状调查及维修养护费用研究[J].水利技术监督，2015(03)：36-37.

[4]孙景亮.论天然河流水质污染与保护中的博弈问题[J].水利规划与设计，2008(06):16-18.

[5]朱嘉伟.渠江水系河网探究[J].水利规划与设计，2011(02):48-50，53.

[6]辽宁省水利厅.辽宁省水利基础信息集[M].北京：中国水利水电出版社，2013：10-90．

Study on Method of River Flow Routing in Humid Areas

FU Hao-xin

(Dandong Hydrology Bureau，Liaoning Province，Dandong 118000，China)

Abstract：Piecewise continuous calculus with the Muskingum method is an effective way to simulate propagation of river flow in humid area，the length of time interval and the length of unit river section determined based on the characteristics of river flow may increase the calculation precise of flood peak. Establish independently a model in branch is beneficial to analyze and simplify the model structure，and fitting comprehensively the historical flood curve with confluence parameter curve may enhance the practicability of the model.

Key words：river course; flow routing; modeling; method; research

文章编号：1007-7596(2016)02-0011-04

[收稿日期]2016-01-03

[作者简介]傅皓昕(1980-)，男，满族，辽宁丹东人，工程师，研究方向为水利水电、水文水资源等。

中图分类号：TV871.2

文献标识码：B