变糙率水力学模型在长江上游洪水预报中的应用初探

姜利玲 汤成友 曾 适

变糙率水力学模型在长江上游洪水预报中的应用初探

姜利玲 汤成友 曾 适

(长江水利委员会水文局 长江上游水文水资源勘测局, 重庆 400014)

针对常糙率水力学模型在实际洪水预报中存在的局限性，提出了变糙率水力学模型。以嘉陵江某典型河段为例，对常糙率和变糙率两种水力学模型在洪水预报中的应用进行了模拟计算与分析比较。结果表明，变糙率模型的参数取值更为合理，对长江上游水文预报、河道防洪等具有较大的参考意义与实用价值。

水力学模型；常糙率；变糙率；洪水预报；嘉陵江；长江

我国在洪水预测预报领域应用研究起步较晚，与世界先进国家存在较大的差距[1]。目前国内洪水预报应用较多的是基于DEM的分布式水文模型及专家交互式洪水预报系统。

多年来长江上游洪水预报主要是采用基于传统的水文学方法的专家交互式洪水预报系统。现行的洪水预报方案己经过多年的实践检验应用，可信度及实用性较高。长江上游流域近年来建设了大量水库电站工程，受枢纽运行的影响，河道的水流特性将变得更复杂，也给上游洪水预报工作带来诸多困难。同时，洪水调度和水资源管理对洪水预报的依赖性较强，洪水预测预报已经成为科学调控洪水的重要依据和首要环节。因此，要提高洪水预报精度，特别是短期洪水预报，迫切需要开展基于水文学和水力学模型相结合的洪水预报方法的应用研究。

为此，本文在长江上游典型河段建立了变糙率水力学模型，开展该模型在长江上游洪水预报中的应用研究。

1 水动力学模型

水流连续方程

(1)

水流运动方程

(2)

2 糙率的优化选取

水力学模型应用要给定各种参数。其中，糙率值参数是一个间接量，不能直接测得。

正确地确定糙率值十分困难。首先，糙率是河床、岸壁的不规则性和表面粗糙程度以及其他影响水流运动能量损失因素的一个综合性指标，与河道的组成、河道的水力半径、水深、植被生长状况、壁面及河床粗糙程度、含沙量、河流弯曲程度、床面坡度、河床冲淤情况以及整治河道的人工建筑物等诸多因素有关。因而，糙率的选取十分复杂[2～4]。

本文常糙率水力学模型中糙率取值的思路是：考虑计算河段的洪水实际情况，分析历年来遭遇洪水的洪峰流量大小，采用恒定非均匀流的方法对该流量级下河段的糙率进行率定计算。若洪峰水位的计算值与实测值的误差值在可接受的范围内，河段常糙率的选取工作则完成，否则需对糙率进行局部修正并重复上述过程，直至洪峰水位的计算误差在可接受的范围内。

鉴于洪水洪峰量级的随机和不确定性，常糙率水力学模型应用在实际预报工作中存在的局限性，建立了变糙率水力学模型。

本文变糙率水力学模型中糙率取值的思路是引入函数关系。结合实际应用的可操作性，考虑变糙率的洪水过程预测问题。模型针对具体的流量级，对各流量级的初始糙率值进行率定计算，率定方法与常糙率的率定过程相同，进而得到各流量级的系列糙率。再分流量级拟定变糙率基于系列糙率的函数关系，根据历史实测数据，利用多次洪水过程率定出不同流量级的最优糙率关系式。利用该方法，模型实现了不同流量下糙率参数的自动计算

(3)

式中,nr为糙率初始参照值；ai,bi为常数；不同流量级取值不同，根据各流量级历史洪水资料率定确定；q为流量；Q1,Q2为流量级范围上下限。

3 应用实例

本文通过建立嘉陵江典型河段水力学模型，开展水力学模型在长江上游洪水预报中的应用研究。

嘉陵江发源于秦岭山脉陕西省凤县代王山南侧东峪沟，干流全长1 120 km，天然落差约2 300 m，是长江水系流域面积最大的一条支流。近年来，嘉陵江河段已逐步建成梯级电站。草街航电枢纽位于重庆合川区境内草街镇附近的嘉陵江干流河段上，是嘉陵江干流规划自下而上开发的第2个梯级，上游回水在嘉陵江上紧接利泽梯级、渠江上紧接富流滩梯级、涪江上紧接渭沱梯级，下游尾水与井口梯级正常蓄水位相接。枢纽工程上距合川区约27 km，下距重庆市(嘉陵江河口)约68 km。

东津沱水位站位于草街库区，是重庆市合川区防洪的重要依据站。自草街电站2012年全面投入运行以来，东津沱站受草街水库变动回水影响，采用常规的水文学方法进行水位预报难度很大。

《绿野仙踪》整体上以主人公冷于冰求仙得道的故事作为主线，先在前十回讲述冷于冰从仕途不得志到看破红尘，再到四处访道，终于获得道术的过程；之后遵照火龙真人“广积阴德”的指示将度化众人的故事串联起来，形成一个整体，最后以冷于冰得到敕封上仙结束。这与《西游记》等神魔小说的结构基本一致，只是《绿野仙踪》中的故事有先后顺序，各个故事之间有承接关系，不能随意调换。

3.1 计算范围

东津沱站位于草街电站库区，综合考虑草街电站可能影响范围、河段河势及水文站点等因素，计算范围包括坝址附近到上游涪江汇合口河段，长约24.36 km，共布置了81个断面(详见图1)。

图1 嘉陵江断面布置

3.2 计算边界条件及水库调度运行方式

模型上边界为草街电站的入库流量，下边界为草街电站的坝前水位。

草街电站平、枯期(11月～次年4月)水库水位维持在正常蓄水位 203 m运行。

汛期(5～10月)，当入库流量小于6 000 m3/s时，闸前维持正常蓄水位203 m运行；当入库流量在6 000～10 000 m3/s时，泄洪冲沙闸部分开启泄洪冲沙，闸前水位维持202 m运行；当入库流量在10 000～15 000 m3/s时，加大下泄，闸前水位维持200 m运行；当入库流量大于15 000 m3/s，电站逐步停机，水库敞泄冲沙。

3.3 模型率定

根据草街电站汛期调度运行方式，在入库流量小于6 000 m3/s时，闸前维持正常蓄水位203 m运行。东津沱水位变幅相对不大，实际工作中相对更关注入库流量大于6 000 m3/s时受电站运行影响下东津沱水位的变化情况。因此，嘉陵江典型河段水位预报模型主要是对该河段发生的洪水来量(即草街坝上入库流量)不小于5 000 m3/s的情况进行分析，建立东津沱水位预报模型，采用嘉陵江2014年与2015年6～10月发生的13场洪水的实测资料进行的率定(详见表1)。

3.4 模型验证

本文采用嘉陵江2012年与2013年5～10月发生的3场典型洪水过程实测资料分别对常糙率及变糙率模型的糙率值进行验证计算[5～6]。

表1 模型率定参数实测值与计算值分析表

图2 2012“7.6”洪水过程中洪水位计算值与实际值对比

图3 2012“9.3”洪水过程中洪水位计算值与实际值对比

图4 2013.7洪水过程中洪水位计算值与实际值对比

2012年7月、9月和2013年7月发生的3场典型洪水过程的洪水位常糙率计算值、变糙率计算值与实测值对比见图2～4。

对2012年7月、9月和2013年7月的3场洪水过程洪水位的计算值与实测值进行误差分析后得出：常糙率水力学模型洪水位计算值与实际值误差不超过0.30 m 所占比为 21.9% ；误差不超过 0.40 m所占比为28.3%；误差不超过0.50 m所占比为34.2%；变糙率水力学模型洪水位计算值与实际值误差不超过0.30 m所占比为58.3%；误差不超过0.40 m所占比为 72.7%；误差不超过 0.50 m所占比为 82.4%。

综上所述，嘉陵江典型河段变糙率水力学模型在东津沱水位预报上的精度明显高于常糙率模型，模型可在实际预报中参考使用。

4 结 语

研究了水力学模型在嘉陵江典型河段水位预报中的应用并对模型进行了优化。采用历年洪水实测资料对优化之后的变糙率水力学模型进行率定验证，模拟计算的嘉陵江东津沱站的水位具有一定的精度，可作为预报方法之一进行使用，同时，为了提高洪水预报的精度，有必要对水力学模型进行实时校正。

由于水文预报的高度复杂性，水文预报中仍有许多值得研究和探索的问题，单一模型难以解决，因此，应结合多种方法，扬长避短，以提高预报精度。水力学模型研究在水文预报中的应用前景十分广阔，意义重大。

[1] 刘志雨.我国洪水预报技术研究进展与展望[J].中国防汛抗旱，2009(5):13-16.

[2] 赖锡军,姜加虎,黄群.应用最优控制理论自动率定二维浅水方程的糙率参数[J].水科学进展，2008,19(3):383-388.

[3] 齐鄂荣,罗昌.库区河道非恒定流糙率的选取及特性[J].武汉大学学报：工学版，2003,36(2):1-5.

[4] 杨仙. 水文站水位-糙率关系分析与应用[C]∥云南省水利学会学术年会.昆明， 2015.

[5] 高攀宇,李身渝,曾适,等.嘉陵江流域暴雨洪水特征及预报[J]. 人民长江, 2011,42(11):56-59.

[6] 邬志红.长江嘉陵江交汇口水力特性数值模拟研究[D]. 重庆:重庆交通大学, 2012.

(编辑：朱晓红)

2017-01-09

姜利玲，女，长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局，工程师.

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