改进的河道洪水传播法在辽宁中部地区的运用及对比分析

刘长君，刘佳

（辽宁省沈阳市水文局，辽宁沈阳110046）

改进的河道洪水传播法在辽宁中部地区的运用及对比分析

刘长君，刘佳

（辽宁省沈阳市水文局，辽宁沈阳110046）

本文运用变动态存储系数法动态计算不同河段洪水传播时间，从而对传统河道洪水传播方法进行改进，并以辽中地区汤河（西支）流域为例，选取15场洪水，分析改进的河道洪水传播法对流域洪水模拟精度的影响。研究结果表明：相比于传统方法，改进的河道洪水传播法更适合于汤河（西支）的洪水模拟，并在径流深相对误差、峰现时间误差及次洪过程模拟吻合度上均有改善和提高。研究成果对于汤河（西支）流域及辽宁其他区域洪水模拟提供参考价值。

改进的河道洪水传播方法；洪水传播时间；次洪模拟精度；辽宁中部地区

引言

对于流域防洪预报预警而言，场次洪水模拟精度的好坏直接决定了流域水文预报预警的准确性和及时性。而对于次洪模拟，河道洪水传播模拟计算的准确性尤为重要。传统的河道洪水传播方法大都采用马斯京根河道洪水传播方法，该方法由于原理简单，计算较为简便，一直被国内许多学者用于不同流域的洪水模拟，并取得一定的研究成果［1-5］。但传统的马斯京根河道洪水传播方法将不同河段的洪水传播时间设置为定值，认为不同河段洪水传播时间是相同的，但是不同河段的洪水传播时间会受到河段长度和坡度的影响，即受到河道洪水传播速度的影响。随着对这一科学问题的认识，许多科学家也开始开展对动态计算不同河段洪水传播时间的研究。20世纪初，美国科学家提出变动态存储系数法来动态计算不同河段的洪水传播时间，通过水力学方法计算不同河段洪水传播时间，由于原理简单，逐步被国内外许多学者运用到流域的洪水模拟中。韩元元［6］运用变动态存储系数法在贵州地区对洪水进行了模拟，研究表明变动态存储系数法实现了贵州江河流域不同河段洪水传播时间的动态计算，并使得流域次洪模拟精度大大提高。石莎［7］将变动态存储系数法运用到浯溪口水利枢纽洪水模拟中，研究结果显示该方法提高了浯溪口水利枢纽洪水模拟的精度。这些成果表明改进的河道洪水传播方法可以提高流域洪水模拟精度，但是改进的河道洪水传播方法在辽宁地区特别是在汤河（西支）流域运用成果较少，为此，本文引入变动态存储系数法动态计算不同河段洪水传播时间，从而改进传统的河道洪水传播方法，并结合汤河（西支）流域内实测10场洪水数据，定量分析改进的河道洪水传播方法对汤河（西支）流域洪水模拟精度的影响。研究成果对于汤河（西支）流域洪水模拟以及辽宁其他流域洪水模拟具有参考价值。

1研究方法及资料准备

1.1研究区域概况

汤河（西支）为汤河左岸一级支流。河流发源于辽宁省辽阳县吉洞峪满族乡礼备沟村，流经辽阳县、辽阳市弓长岭区，在辽阳弓长岭区汤河镇柳河汤村注入汤河。流域面积562km2，河流长度59km，河流平均比降2.93‰，多年平均年降水量756.5mm，多年平均年径流深214.7mm，流域平均宽度为9.6km，河道弯曲系数为1.3，河流形状系数为0.16，河网密度为0.4。1.2研究方法

本文选用新安江模型模拟汤河（西支）流域的产汇流过程，在河道洪水汇流计算时，改变传统新安江模型运用马斯京根法进行河道洪水传播计算到流域出口，采用变动态存储系数法动态计算流域内不同河段洪水传播时间，对比分析河道洪水传播方法改进前后对流域水文模拟精度的影响，基于汤河（西支）流域内郝家店水文站实测洪水数据，分别运用传统的马斯京根法和改进的河道洪水传播方法进行河道洪水演算，对比汤河以上集水区域15场洪水模拟精度。新安江模型的原理详见文献［8］，本文重点介绍改进的河道洪水传播方法。传统河道洪水传播方法主要基于河段水量平衡方程和槽蓄方程，2个方程的表达式为：

不同河段的水量平衡方程为：式中：I—时段初流入河段内的流量，m3/s；Q—时段末流出河段的流量，m3/s；W—不同河段内蓄水量，m3。

不同河段的槽蓄方程为：式中：Q′—河段内存储的流量，m/s；K—不同河段的洪水传播时间，h；其他变量含义同前。其中：式中：x—流量比重系数；其他变量含义同前。

本文采用变动态存储系数法动态计算不同河段的洪水传播时间，K值计算方程为：式中：L—不同河段的长度，m；Vc—不同河段的洪水波波速，m/s；其他变量含义同前。

对于河段横断面近似为宽矩形河段，不同河段洪水波传播速度可采用Schu1ze提出的公式进行估算，计算方程为：式中：V—不同断面河流的平均流速，m3/s；其他变量含义同前。

不同断面的河流平均流速可采用Manning公式进行计算，计算方程为：式中：R—不同河道断面水力半径，m；i—不同河段的河道坡度；n—不同河段断面的曼宁系数；其他变量含义同前。

1.3研究数据

本研究需要的数据主要为河段的地形数据，收集汤河以上流域河道地形数据。河段地形数据主要用来计算不同河段洪水传播时间。此外为对比改进的河道洪水传播方法对流域洪水模拟精度的影响，收集汤河（西支）流域郝家店水文站2000～2010年15场洪水数据，对比分析改进的洪水传播方法对流域洪水模拟精度的影响。

2模型运用

基于改进的河道洪水传播方法，选用汤河（西支）流域内郝家店水文站2000～2010年15场洪水数据，分别运用传统河道洪水传播法和改进的河道洪水传播法模拟上述15场洪水，并和实测洪水流量进行对比，分析不同河道洪水传播方法对汤河（西支）流域洪水模拟精度的影响。研究成果见表1。

表1为2种不同河道洪水传播方法在汤河（西支）流域15场洪水模拟的精度对比分析结果，从表1中可以看出，2种河道洪水传播方法在汤河（西支）流域的洪水模拟都具有一定的模拟精度，2种方法模拟的径流深相对误差均小于10%，模拟的次洪过程确定性系数达到0.6以上，均满足流域洪水模拟精度规范要求。传统的河道洪水传播方法洪水模拟精度低于改进的河道洪水传播方法模拟的洪水精度，从15场洪水模拟的径流深相对误差可以看出，改进后的河道洪水传播方法相比于传统河道洪水传播方法，径流深平均相对误差减少5.23%，次洪过程模拟的确定性系数提高0.153，而另一个重要的指标洪峰出现时间误差，改进的河道洪水传播方法相比于传统河道洪水传播方法，将峰现时间误差缩短0.53h。可见改进的河道洪水传播方法提高了汤河（西支）流域洪水模拟的精度，这主要是因为改进的河道洪水传播方法动态计算不同河段的洪水传播时间，而传统的河道洪水传播方法未能考虑不同河段洪水传播时间的差异性。综上，改进的河道洪水传播方法，提高了汤河（西支），流域洪水模拟的精度，可用于汤河（西支）流域的洪水模拟。

表1不同河道洪水传播方法洪水模拟精度对比

3结论

本文引入变动态存储系数法动态计算不同河段洪水传播时间，从而对传统河段洪水传播方法进行改进，并结合流域内15场洪水数据，对比分析不同河道洪水传播方法对研究流域洪水模拟精度的影响，研究取得以下结论：

（1）改进的河道洪水传播方法提高了汤河（西支）流域洪水模拟精度，相比于传统河道洪水传播方法，洪水模拟精度中次洪径流深相对误差减少5.23%，次洪过程吻合度提高0.153，洪峰出现时间误差缩短0.53h。

（2）改进的河道洪水传播方法可用于汤河（西支）流域的洪水模拟。该方法值得在其他流域水文模拟中推广，但改进的河道洪水传播方法需要河道实测的地形数据，对缺少河道地形数据的区域次洪模拟存在局限性。

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［5］昂慧萍，王海玉.青弋江水阳江水系河道洪水传播时间分析［J］.江淮水利科技，2006（04）：35-36.

［6］韩元元，吴昊.改进的新安江模型在贵州印江河流域的适用性及对比分析［J］.水资源与水工程学报，2015（03）：110-114.

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TV122

A

1008-1305（2016）03-0058-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.024

2016-04-01

刘长君（1971年—），男，工程师。