高原乏资料地区梯级开发型河流水面线推算及应用

陈鑫池, 顾立忠, 刘画眉, 蔡素芳

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省第九批援藏工作队，西藏 林芝 860003；3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000；4.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635)

江河湖泊具有重要的资源功能和生态功能，是洪水的通道、水资源的载体、生态环境的重要组成部分。在河道管理范围划定、水域岸线保护与利用规划、防洪治理与城市生态水系规划等工作中，常以水面线的推求为基础工作，且水面线的推算结果对工程的安全运行影响较大。常用的河道水面线推算方法主要有恒定流法、均匀流法以及非恒定流法[1]。河道恒定流法是根据能量守恒定律，由上、下游河道断面水位推算出河道水面线。河道均匀流法假设河道水流流线互相平行，河道断面的尺寸和形状是恒定不变的，这2种方法都存在着较大的局限性[2-3]。河道非恒定流法是根据河道上、下游过水断面水位和流速，由动量守恒和质量守恒原理进行水力计算，该方法应用范围广、适用性强[4-6]。

河湖管理涉及水域、岸线、采砂、排污口设置、涉河建设项目等方面，是水利社会管理的核心内容，是确保河湖资源可持续利用的重要工作[1]。对高原山区河流，河道管理范围的划定以河道设计水面线与岸坡的交线为基准，因此，河道水面线的推算结果直接影响到河湖管理范围的空间与管控面积。河道水面线的推求除了对河道断面资料要求较高外，一般需根据实测资料进行参数的率定验证，高原山区河流站点稀少，且容易发生洪水与泥石流等自然灾害，难以布设水文站点观测到长序列的资料，很多站点工程在建设不久即被冲毁。不仅如此，沿河梯级水电站的开发对河道水面线影响也较大。因此，高原山区河流因其缺乏资料特性，增加了河道水面线计算的难度。

本文以位于林芝市工布江达县的巴河曲为例进行水面线推求计算工作，并以此为基础将其应用至巴河曲的河道管理范围划界工作。

1 研究区域与数据资料

1.1 研究区域

巴河曲是尼洋河上游左岸的一级支流，发源于错高乡拉玛叶隆上游附近、念青唐古拉山脉东端南麓，从源头流出后由西北向东南流，在错高乡久巴村折向南流，在错高村下游汇入巴松措湖，流出巴松措后进入巴河镇折向西流，在巴河镇雪卡村下游右纳最大支流朱拉曲后折向南流，最终在巴河集镇附近于左岸汇入干流尼洋河。

全流域均位于工布江达县境内，流域范围具体为错高乡和朱拉乡的全部镇域范围及巴河镇的绝大部分镇域范围，干流河长为106 km，全流域面积为4 229 km2，水面落差为770 m，平均坡降为16.7‰，多年平均径流量为61.5亿m3，流域内高山冰川积雪面积有625.8 km2。

考虑巴松措湖口建有冲久水库闸坝工程，本次研究范围为巴松措湖口至巴河曲河口，河段全长约为38 km。

1.2 数据资料

研究区域资料匮乏，可参考资料不多，本文用到的资料包括3部分：

1)DEM数据，DEM 数据来源于 SRTMDEMUTM 90 m分辨率数字高程数据产品，空间分辨率为90 m×90 m。

2)收集的《西藏巴河老虎嘴水电站可行性研究报告》、《西藏巴河雪卡水电站(含冲久水库)工程竣工安全鉴定设计自检报告》等资料中关于水利工程的特性参数、调度规程；《尼洋河流域综合治理和保护规划修编报告》中关于巴河曲河口设计水位。

3)实测河道大断面，共测量断面70个，从上游至河口分别编号为A01～A70(如图1所示)。

图1 测量断面分布示意

2 研究方法

2.1 一维水动力模型

本文结合实际情况，将巴河曲进行分段，采用一维水动力数学模型进行建模计算巴河曲水面线，该模型基于圣维南方程组建立，为描述水道和其他具有自由表面的浅水体中渐变不恒定水流运动规律的偏微分方程组，由反映质量守恒定律的连续方程和反映动量守恒定律的运动方程组成[7-10]：

(1)

(2)

式中：

x，t——空间坐标和时间坐标；

Q，h——断面流量和水位；

A，R——分别为断面过水面积和水力半径；

g——重力加速度；

q——单位河长的旁侧入流量；

C——谢才系数；

α——垂向速度分布系数。

2.2 水文比拟法

对无资料地区设计洪水的分析计算，前人已进行多种方法的探索[11-12]，本文因研究区域资料匮乏，无实测水文资料进行设计洪水分析，根据收集到的资料可知尼洋河干流上有更张水文站，本文采用水文比拟法进行巴河曲的设计洪水分析，水文比拟法计算公式如下：

(3)

式中:

Q1、F1——研究站点流量与流域面积；

Q2、F2——参证站流量与流域面积；

n——流域特征指数，参考相关资料与当地经验取值。

3 结果与应用

3.1 河道分段处理

本次模型研究范围从巴松措库尾冲久水库至巴河汇入干流尼洋河处为终点，全程约为38 km，研究范围内建有2座梯级电站(如图2所示)，分别为雪卡电站与老虎嘴电站，对河道水面线产生较大影响。

图2 河道分段示意

本文以电站为模型中两个节点，将河流分为3段进行模拟：巴河Ⅰ段，起点为冲久水库，终点为雪卡电站拦河闸；巴河Ⅱ段，起点为雪卡电站拦河闸，终点为老虎嘴电站；巴河Ⅲ段，起点为老虎嘴电站，终点为巴河汇入尼洋河河口。

3.2 设计洪水分析

根据《防洪标准》(GB 50201—2014)，巴河干流防洪标准应为10—20年一遇计，本文按照P=5%与P=10%标准进行设计洪水分析。巴河流域属无资料地区，仅有相关工程设计报告与干流尼洋河规划报告等资料可参考，因此设计洪水采用水文比拟法进行计算，本文根据工布江达县DEM数据提取各控制节点的流域范围，计算其流域面积见表1所示。

表1 各控制节点流域面积 km2

参考尼洋河干流更张水文站的设计洪水结果，采用水文比拟法计算得到各控制节点P=5%与P=10%的设计洪水见表2所示。

表2 水文比拟法计算结果 m3/s

从表2中可以看出，雪卡电站与朱拉曲洪峰流量之和高于老虎嘴洪峰流量，为干流安全考虑，采用上游与下游同频区间相应法对以上结果进行重新计算，结果见表3所示。

表3 各控制节点设计洪水计算结果 m3/s

3.3 水面线计算结果

3.3.1下边界条件

参照雪卡电站与老虎嘴电站的工程设计报告，模型的下边界条件根据水利工程基本特性与调度规则确定，结果见表4所示，其中巴河Ⅲ段根据尼洋河规划报告中对应节点的水位成果确定。

表4 模型下边界水位条件 m

3.3.2模型参数

由于本研究区域缺乏实测资料对模型进行率定工作，因此河道糙率依据《水利计算手册(第二版)》中对国内糙率的相关规定进行选定，根据巴河曲特征确定本文各河段的糙率取值，其中巴河Ⅰ段取值为0.04～0.05，巴河Ⅱ段取值为0.035～0.045，巴河Ⅲ段取值为0.04～0.05，具体取值根据断面所处位置河道特征确定。

3.3.3水面线计算结果

根据以上分析建立一维水动力数学模型计算巴河曲P=5%与P=10%条件下设计洪水水面线结果见表5所示，限于篇幅，表中仅列出图1中指示的断面与重要节点的水位结果。

表5 水面线计算结果 m

从表5中可以看出，P=5%与P=10%条件下设计水位差别不大，平均在0.1 m以内，P=5%条件下设计洪水与河道深泓高程对比如图3所示。

图3 巴河曲水面线P=5%计算结果示意

图3中蓝色线为巴河曲河道水位过程线，红色实线为实测断面深泓线，从图中可以看出，冲久水库至雪卡电站段水位沿程逐渐下降，雪卡电站有拦河闸影响，水位有一定的突降，至老虎嘴电站，由于电站的调蓄作用，水位落差变大，老虎嘴电站之后至巴河出口，水位平稳下降。从起点至终点河流水面落差为263.9 m，冲久水库至巴河站河流水面比降约为6.96‰，巴河全流域平均比降约为7.26‰，水面比降较为接近。

3.4 结果应用

本次工作依据水面线计算结果，将其应用至河道管理范围工作中。根据河道管理范围线的定义与有关划定标准，无堤防的河段以水面线与沿岸交接线为基准确定管理范围。本文以巴河曲水面线结果与沿岸交接线为巴河曲管理范围，偏安全考虑，本文在划定河道管理范围时以P=5%设计条件计算结果为准。因河段较长，本文以老虎嘴电站以下的河段为例展示应用结果(如图4所示)。

图4 老虎嘴电站至河口段河道管理范围划定结果示意

4 结语

本文在充分收集林芝市巴河曲与沿河梯级相关资料的情况下，参考相应技术规范，利用水文水动力学方法建立一维水动力数学模型，计算巴河曲10年一遇与20年一遇水面线，并将20年一遇水面线计算结果应用至巴河曲河道管理范围划定工作中，对高原地区与其他无资料地区的河道水面线推求工作的进一步开展具有一定的示范与推动作用，为高原地区河长制的进一步实施，建立严格的河湖管理制度起到积极作用。此外，该项工作除用于河道管理范围划定工作外，还可应用于其他以水面线为基础的河湖管理、保护与流域规划等有关工作。