淮河具有行蓄洪區河系洪水預報水力學模型研究*

包紅軍，趙琳娜，李致家

(1:中國氣象局公共氣象服務中心，北京100081)

(2:國家氣象中心，中國氣象局，北京100081)

(3:河海大學水文水資源學院，南京210098)

淮河具有行蓄洪區河系洪水預報水力學模型研究*

包紅軍1，2，趙琳娜1，2，李致家3

(1:中國氣象局公共氣象服務中心，北京100081)

(2:國家氣象中心，中國氣象局，北京100081)

(3:河海大學水文水資源學院，南京210098)

針對淮河流域河系特點，建立淮河具有行蓄洪區河系洪水預報模型.干流河道洪水演進采用一維水動力學模型，釤崗分流量利用分流曲線法推求，利用虛擬線性水庫法解決大洪水時支流洪水受干流頂托作用，臨淮崗閘作為水力學模型的內邊界條件進行處理，利用分流比法概化行洪過程，行洪區內只有蓄滿時，才會有出流，行洪區內的洪水利用Muskingum法進行洪水演進;由于蓄洪區進洪與出流均有閘門控制，因而作為水庫處理，蓄洪區內不考慮洪水演進，只進行水量平衡以判斷進洪或者出流.以淮河干流王家壩至魯臺子河系為例，建立淮河具有行蓄洪區河系水力學模型，并與淮河具有行蓄洪區河系水文學模型在淮河2003-2008年洪水進行對比驗證檢驗.結果表明，所建立的淮河具有行蓄洪區河系洪水預報水力學模型在淮河洪檢驗取得較好的預報效果，也證明了所建模型的合理性.

洪水預報;分流比法;一維水動力學模型;Muskingum法;行蓄洪;淮河

大流域內存在水庫、蓄滯洪區、水閘等多種水利工程，流域水文系統的降雨徑流及洪水過程預報是一個十分復雜的問題［1-5］.大江大河的洪水預報一般是以干流河道的匯流為主線，防洪控制站大部分均設在干流沿程河道.而我國大江大河中下游一般是丘陵和平原區，河底比較平緩，不太適合建大型的水庫，防洪工程主要堤防以及借助于兩岸地理與地形條件修建的行蓄洪區，其標準往往不高.淮河流域就是這類典型具有行蓄洪區的復雜大流域.包紅軍等［6］在考慮行蓄洪區影響的Muskingum流量演算法基礎之上，將Muskingum法與水文水位法、擴散波非線性水位法相結合建立淮河具有行蓄洪區河系洪水預報水文學模型，在2007年淮河洪水中取得良好的預報流量檢驗效果，水位預報效果相對一般;對于復雜的分叉水系的洪水預報，需要計算和預報河道內任何斷面任何時刻的水位、流速、流量等要素，這時水動力學方法是首選［7］.吳時強等［8-9］采用淮河干流及各行洪區采用平面二維水動力學模型進行洪水演算，在淮河1982年、1991年大洪水預報中得到不錯的預報效果;而在淮河大洪水行洪過程中，行洪區口門往往通過爆破方式炸開，口門在行洪過程中不斷擴大變深，口門尺寸的變化難于計算［3］;行洪區內二維河道資料變化也由于歷史人工影響，較難獲取;因此本文基于一維水動力學模型［7，10-11］，對行蓄洪區進行概化處理:行洪區采用分流比概化處理行洪，行洪區只有蓄滿時，才會有出流，行洪區內的洪水考慮洪水演進;由于蓄洪區進洪出流均有閘門控制，將蓄洪區看成水庫，蓄洪區內不考慮洪水演進，只進行水量平衡以判別是進洪或者出流，建立淮河具有行蓄洪區河系水力學模型，合理處理好釤崗分流，大洪水時支流洪水受干流頂托作用，臨淮崗閘對洪水演進的影響，并與淮河具有行蓄洪區河系水文學模型進行洪水預報對比研究.

男人放肆地笑了笑說：“好好，不說這個！不說這個了！我就喜歡你這樣懂事的女人，從不和我家里的那個黃臉婆爭風吃醋。寶貝兒，我不會虧待你的。”

1 研究流域簡介與概化

淮河流域發源于河南省桐柏山，在江蘇省三江營注入長江，干流全長1000km，淮河流域分上、中、下游.王家壩以上為上游，匯水面積30630km2;王家壩至三河閘為中游，河道坡降平緩，沿干流兩側多湖泊洼地，淮河上中游洪水在此滯蓄回旋.淮河上游自洪河口至洪澤湖匯水面積158160km2.王家壩至魯臺子屬中游河段，魯臺子匯水面積91620km2(圖1).淮河中游支流多、水量大量集中，上游干支來水以王家壩居多，以下匯史、淠、穎三大支流，至正陽關集中了淮河水量的80%.這段干流有三個行洪區，四個蓄洪區.

圖1 淮河王家壩至魯臺子河段概化圖Fig.1 Sketch of the river basin from Wangjiaba to Lutaizi station of Huaihe River

2 淮河具有行蓄洪區河系水力學預報模型的構建

淮河具有行蓄洪區河系水力學模型，考慮了行蓄洪區的洪水調度:行洪區采用分流比和口門行洪兩種處理方式，行洪區只有蓄滿時，才會有出流，行洪區內的洪水考慮洪水演進;由于蓄洪區進洪出流均有閘門控制，將蓄洪區看成水庫，蓄洪區內不考慮洪水演進，只進行水量平衡以判別是進洪還是出流.淮河具有行蓄洪區河系水力學模型結構，可以劃分為四部分，干流河道基于一維水動力學模型的水位流量預報;行蓄洪區的洪水演算預報;旁側入流及無資料地區產匯流預報;臨淮崗水利樞紐的考慮.

2.1 一維水動力學模型

取水位Z和流量Q為水力要素，水力學模型一維方程形式可寫為:

水流連續方程:

行洪區一般是利用河道邊的地形，比如洼地、湖泊，形成一個洪水期間的臨時蓄水體或者過水通道.為了與蓄洪區區別開來，本文研究的淮河流域行洪區進洪口與出洪口都沒有閘門控制.蓄洪區是分布在河道兩側，利用河道邊的地形，如洼地、湖泊，形成一個有閘門控制進出流的臨時蓄水體.行洪區和蓄洪區的區別在于蓄洪區的進洪與出洪口有控制閘門而行洪區則沒有.由于有閘門控制，蓄洪區有一定的庫容.目前關于行蓄洪區的處理方法國內外大致有以下2種:經驗方法(分流比法)和固定口門水力學公式法.文獻［3］已經證明了經驗方法分流比法具有一定的物理意義，簡單易行，可以用于洪水預報中.因此，本文采用分流比法進行行洪處理.分流比常用的確定途徑有兩個:由實測流量來確定和由口門特征來確定.

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2.2.2 由口門特征來確定 由行洪區口門的特征與行洪流量建立關系，行洪口門的特征主要是口門的寬度與深度，根據寬頂堰公式:

2.2 行蓄洪區洪水演算預報

水流運動方程:

2.4.1 臨淮崗樞紐閘門全關 當臨淮崗樞紐閘門全關時，則淮河干流被截為兩段.在河道洪水預報時，臨淮崗樞紐以上河段就可以看作為一個水庫，進行水庫調度;下游河道進行上邊界為0的河道洪水預報.

三是獨特性。每一個舞蹈作品都有其特殊性，每一位舞者都有其獨特性。在拉丁舞表演中，面部表情是根據不同的主題與角色特點表現出來的，歡快的舞蹈和悲傷的舞蹈，情感表現形式不同面部表情自然是有很大差異，因此不同的表演作品呈現出來的面部表情各不相同，不同舞者的表現形式也有所不同。舞者通過面部表情變化表達舞蹈中的情感變化，在一些特定的場景中舞者做出特定面部表情，一定程度上塑造了人物的形象，如在拉丁舞表演《七十二房客》中，包租婆的形象讓人記憶猶新，她的一顰一笑都讓觀眾深深記住，這體現了作品的獨特性，也體現了人物的獨特性。

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式中:B為口門寬度，K1為流量系數，其值在0.300-0.385之間，HU為有效水頭，在這里取河道干流水位與口門高程之差.參數B、HU均由口門尺寸和河道水位計算得出，K1值需要進行水力學實驗中率定，在防洪計算中一般取0.385［3］，本文取K1為0.385.用口門特征來確定分流比，主要是由于沒有行洪區的流量資料，這是可根據口門尺寸以及干流的記錄的水位來定出流量的特征值，以及定出分流比.

行洪區內的洪水演進，由于缺乏地形資料，本文采用Muskingum法進行演算.

式中:Z為水位，Q為流量，A為過水斷面面積，Lq為單位河長的旁側入流，x為沿水流方向的水平距離，t為時間，g為重力加速度，α為流速分布不均勻系數，Sf為水力比降，Sf=(n2Q|Q|)/(A2R4/3).采用Preissmann四點線性隱式差分進行離散，應用Newton-Raphson迭代求解法進行水位流量計算.

蓄洪區的處理方式就是把蓄洪區看成一個進庫出庫均有閘門控制的水庫.蓄洪區進洪與出洪可由水力學公式計算.設干流水位為 Z，蓄洪區水位為 Zl，閘底板高程為 Z0，令 H0=Z－Z0，Hs=Z1－Z0，當 H0＞1.33Hs時為自由進洪，進洪流量.當 H0≤1.33Hs，且 Z －Z1＞0 時，

式中:M1為閘門進洪系數，通過水力學實驗獲取M1與Hs/H0的關系，隨水位變化推求參數M1值，具體參見文獻［11］，B為閘門開啟凈寬度.

對于蓄洪區的出洪閘計算與進洪閘相似，不同之處是Z與Z1更換了位置.對于蓄洪區內部，不考慮洪水演進問題，只對蓄洪區內進行水量平衡計算求出蓄洪區水位變化以判別是否進洪或者出洪.

2.3 旁側入流及無資料地區產匯流計算

王家壩處的分流問題:釤崗的分流量由王家壩與釤崗的分流關系曲線確定.王家壩閘的分流量根據閘門運行方式和水流的實際形態，采用恰當的水力學公式計算.把釤崗分流后與地理城的流量作為旁側入流合在一起演算至干流.此外中游支流蔣家集、阜陽和橫排頭也分別作為旁側入流演算至干流.為了解決大洪水時支流洪水受干流頂托作用，直至退水期才能進入干流，故借鑒文獻［3］的方法:在支流末端與干流交匯處設一虛擬線性水庫，支流水流必須經過水庫調蓄后才能進入干流.

蔣家集至干流匯合處，谷河、潤河集以及阜陽、橫排頭至干流的區間面積有8730km2，占魯臺子的匯水面積的8.7%.為了解決這部分地區的產匯流計算，選淮北王市集小流域為代表性流域，用新安江模型進行產匯流計算，然后將參數移置到區間上.

但多達十四卷的《紀效新書》只是文科要考的一小部分罷了。易平安扭頭又看看桌上堆得如小山一般高的書籍，頓時有一種荒謬的感覺浮上心頭。

2.4 臨淮崗樞紐工程的考慮

按照臨淮崗控制工程的規劃條件，當正陽關水位達到26.40m、魯臺子流量達到10000m3/s時，啟用臨淮崗樞紐控泄.本文按臨淮崗閘門全關、敞泄、控泄三種方式討論臨淮崗閘在洪水預報中的處理方法.

2.2.1 由實測流量來確定 行洪口的行洪流量是很難實測到的，一般是洪水過后，根據行洪口門的大小由水力學公式估算出來的特征值，如最大流量等.行洪口的行洪流量與干流總量之比是分流比.一般估算出來的是最大行洪流量與干流總量之比.設行洪流量為Q行洪，干流分流后流量為Q干流分，分流比為α分，則:

式中，nb為閘門凈寬(m)，e為閘門開度(m)，μ0為孔流流量系數，σc為淹沒系數，具體取值方法參見文獻［12］，本文進行預報的洪水均為臨淮崗閘敞泄狀況下的.

式中，b為每孔凈寬(m)，n為閘孔孔數，H0為包括行近水頭，m為自由堰流的流量系數，σ側收縮系數.令μ=σm，為包括側收縮系數在內的流量系數.參數μ取值，根據毛昶熙［12］擬合出流量模數的經驗公式進行計算:

式中，L為閘地板長度，當H0/L＞0.3時，仍用0.3代入.

2.4.3 臨淮崗樞紐控泄 當臨淮崗樞紐實行控泄時，仍然將臨淮崗樞紐作為一個內邊界處理.此時臨淮崗閘為孔流泄流.計算公式如下:

2.4.2 臨淮崗樞紐敞泄 當臨淮崗樞紐敞泄時，將河道作為一個整體處理.將臨淮崗深孔閘與淺孔閘均作為寬頂堰或者實用堰進行內邊界處理.堰流的基本計算公式為:

朱以撒[11]認為碑學勃興于清代帖學之弊：①清代書法效仿對象的變化;②帖學受制于帝王的導向;③“閣體”審美標準的確立致使許多欲仕書家不能展現自己的創造才華。盡管清代刻帖又有進展，但對清代書壇的衰落已毫無補救。書壇需要另辟蹊徑尋找活力，用新的觀念、方法來挽救它的衰落，這樣的歷史條件孕育了碑學的興盛。

3 淮河具有行蓄洪區河系水力學模型的驗證

3.1 淮河具有行蓄洪區河系水力學模型在淮河洪水中的對比檢驗

釤崗分流量由王家壩與釤崗的分流關系曲線確定.統計實測期(1996-2004年汛期)內的資料，得到一個以王家壩總入流為橫坐標、釤崗分流量為縱坐標的帶狀點群.此點群的特點是:在流量較小的時候，點距非常密集;隨著流量的增加，點距逐漸稀疏，但仍舊保持帶狀分布.綜合實測的數值及點群的特征，結合已有的經驗，得到釤崗的分流公式.

陸簡明[8]指出漢語中有明顯標記的被動句，即“被”字句，主要有兩種形式：長被動句和短被動句，格式如下：

對于淮河具有行蓄洪區河系水文學模型，采用Muskingum-Cunge法進行干流王家壩至魯臺子河道洪水演進，利用水文水位法進行魯臺子水位預報，最后采用擴散波非線性水位法推求河道各個斷面水位預報過程.采用水力學模型相同的行蓄洪區處理方式、旁側入流及無資料地區產匯流預報的方法.

采用1996-2004年的6場汛期洪水進行水動力學模型的曼寧糙率參數進行率定，率定得到的糙率系數在垂直方向分別為0.018、0.020、0.022、0.020 和0.020、0.022、0.025、0.022.率定期的水動力學的上邊界為王家壩干流的入流過程，下邊界為魯臺子的水位過程.采用2005-2008年的汛期洪水進行檢驗，并與淮河具有行蓄洪區河系水文學模型的預報結果進行對比(表1)，結果表明，水力學模型在淮河2005-2008年的洪水預報中取得良好的模擬結果:潤河集、魯臺子的流量平均洪峰誤差分別為13.5%、16.3%，南照集、正陽關的水位預報絕對誤差分別0.24、0.25m，確定性系數均大于0.8(表1).水力學模型的水位流量預報效果均好于水文學模型:其中流量預報水力學模型稍好一些，潤河集、魯臺子站的平均確定性系數為0.921、0.866，而水文學模型預報的潤河集、魯臺子站的平均確定性系數為0.889、0.759.水力學模型水位預報精度有較大的提高:南照集、正陽關的水位預報平均絕對誤差分別為0.24、0.25m，而水文學模型的南照集、正陽關水位預報平均絕對誤差分別為0.88、1.00m.

表1 淮河具有行蓄洪區河系水力學模型和水文學模型檢驗期的預報結果Tab.1 Validation results of hydraulic model and hydrologic model with flood diversion and flood retarding areas of Huaihe River

3.2 分流比行洪方式在淮河2003年與2007年大水中的檢驗

2003年與2007年汛期，淮河流域遭遇了1954年以來的兩次流域性大洪水.由于雨區和降雨時段集中，雨量大，導致淮河干流、支流水位普遍上漲，河段水位全面超過警戒水位.兩場洪水的行洪參數見表2.假定在行洪穩定時，口門處的流速接近河道主槽流速.采用控制站實測的點最大流速作為行洪口門平均流速，過水面積采用行洪區上、下口門中較小的數值.代入公式(3)即可得到分流比值.

表2 2003與2007年行洪區使用情況Tab.2 Applied cases of flood diversion areas of 2003 and 2007

2003年與2007年的洪水模擬結果見圖2(圖中不行蓄洪預報指的是在預報過程中不考慮行蓄洪區的使用情況，默認行蓄洪區均無進出洪;行蓄洪預報指的是在預報過程中考慮行蓄洪區的使用，進行行蓄洪區的進出洪計算)和表3，可以看出經過行洪處理兩場洪水的精度均比沒有處理有所提高.對于2003年洪水模擬預報，南照集的預報最高水位誤差由0.45m降至0.37m，潤河集的最高水位誤差由0.40m降至0.31m，汪集的水位誤差由0.36m降至了0.24m，正陽關與魯臺子預報誤差分別降至0.34m和0.31m.對于2007洪水，在進行行洪處理時，南照集、潤河集的水位已經達到峰值，故最大水位誤差沒有變化，汪集預報誤差由0.42m降至0.37m，正陽關由0.30m降至0.19m，魯臺子預報誤差降至0.16m.從兩場洪水的流量來看，魯臺子站的洪峰相對誤差分別由－10.7%提高到－1.6%和由－6.5%提高到－1.5%.確定性系數也有所提高.

△型樣架：（1）用鋼管沿預裂面方向將兩排錨樁分別連接成整體，并利用水平尺檢測，以確保臨近預裂孔側水平連接桿的水平度，鉆孔時鉆機的地腳就固定在此水平連接桿上；（2）將△型固定架按80cm間距安裝在錨樁兩排連接桿上，使用特制量角器粗調樣架工作面豎桿傾角，使傾角盡量接近預裂孔設計傾角，用一根水平連接桿將每個△型固定架上部固定，同樣要保證這根水平連接桿的水平度，造孔時鉆機上臂就固定在此水平連接桿上，這樣整個樣架就形成了一個整體；（3）測量員使用全站儀校核樣架工作面豎向傾角和水平連接桿的水平度，微調處理后加固連接扣件，在上下兩排水平連接桿上測量放出鉆機固定點位。

圖2 魯臺子站(a，b)和正陽關站(c，d)2003年與2007年汛期洪水流量預報過程Fig.2 Flood forecast results of Lutaizi station(a，b)and Zhengyangguan station(c，d)in 2003 and 2007

表3 分流比行洪魯臺子站預報結果Tab.3 Flood forecast results of Lutaizi station with using Split ratio method

4 結語

淮河流域存在行蓄洪區等多種水利工程，本文基于一維水動力學模型，合理處理好釤崗分流、大洪水時支流洪水受干流頂托作用，概化行蓄洪處理方式，并考慮了臨淮崗樞紐工程對淮河干流洪水波的影響，建立了淮河具有行蓄洪區河系洪水預報水力學模型.通過在淮河洪水預報中的檢驗，與水文學預報模型相比，大大提高了水位預報精度，證明了模型的合理性與適用性，為相對復雜的河系洪水預報問題研究提供了一定的借鑒.但鑒于大流域洪水預報的復雜性，仍需要進一步研究:

(1)行洪區的處理本文使用的是一些基于經驗性的方式.行洪區內洪水演算屬于二維水力學范疇，本文只是用Muskingum法概化處理.研究更適合行洪區處理和洪水演進的方法也是接下來的工作之一.

在電氣自動化設備的選擇當中，企業要組織安排專門的技術人才，加強對設備選擇的整體把控。在進行零部件以及相關產品的選擇時，技術人員要對市場進行實地考察，通過多方面的對比分析，選擇信譽度較好，企業口碑較高的產品生產企業，對選擇的產品要進行質量方面加強把關。例如，產品的規格、質量、型號、生產日期、出廠日期、生產合格證書等，避免由于選購人員一時疏忽，選購到質量不達標的設備。此外，電氣企業在保障選購產品質量的基礎上，要在產品價格方面進行綜合考慮，盡量選擇性價比較高的產品。在保證提升電氣自動化控制設備可靠性的前提下，降低電氣企業的生產成本，實現企業經濟效益的最大化。

(2)無資料地區的產匯流參數是移用淮北王市集小流域產匯流參數.近20年，數字高程模型(DEM)和遙感技術在水文學中得到了迅猛的發展.如何直接從流域的土壤資料、DEM技術等［6，13-15］直接提取大流域水文模型的產匯流參數是下一步需要解決的問題.

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Hydraulic model for flood forecast of river basin with flood diversion and flood retarding areas of Huaihe River

BAO Hongjun1，2，ZHAO Linna1，2＆ LI Zhijia3
(1:Public Meteorological Service Center，China Meteorological Administration，Beijing 100081，P.R.China)
(2:National Meteorological Center，China Meteorological Administration，Beijing 100081，P.R.China)
(3:College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098，P.R.China)

Hydraulic model of Huaihe River with flood diversion and flood retarding areas was developed for flood forecast.The input flood discharge hydrograph from the main channel to the flood diversion area is estimated with the fixed split ratio of the main channel discharge.The Muskingum discharge routing method is applied in the flood diversion area，and outflow can generate only after it reaches full storage.The flood flow inside the flood retarding area is calculated as a reservoir and inflow and outflow are calculated based on the water balance equation.Taking complex river basin between Wangjiaba and Lutaizi stations with flood diversion and flood retarding areas of Huaihe River as an example，with taking the Linhuaigang Project as inside boundary in flood routing，Hydraulic model of Huaihe River based on one-dimension hydraulic model was developed.In order to testify the performance and rationality of the developed model，the representative flood events from 2003 to 2008 were forecasted with the developed hydraulic model.Results show that the developed model performs well and is reasonable.

Flood forecast;split ratio;one-dimension hydraulic model;Muskingum;flood diversion and flood retarding;Huaihe River

* 公益性行業(氣象)科研專項項目(GYHY200906007，GYHY201006037)資助.2010-05-20收稿;2010-09-19收修改稿.包紅軍，男，1980 年生，博士，工程師;E-mail:baohongjun@cma.gov.cn.