變糙率水力學模型在長江上游洪水預報中的應用初探

姜利玲 湯成友 曾 適

變糙率水力學模型在長江上游洪水預報中的應用初探

姜利玲 湯成友 曾 適

(長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局, 重慶 400014)

針對常糙率水力學模型在實際洪水預報中存在的局限性，提出了變糙率水力學模型。以嘉陵江某典型河段為例，對常糙率和變糙率兩種水力學模型在洪水預報中的應用進行了模擬計算與分析比較。結果表明，變糙率模型的參數(shù)取值更為合理，對長江上游水文預報、河道防洪等具有較大的參考意義與實用價值。

水力學模型；常糙率；變糙率；洪水預報；嘉陵江；長江

我國在洪水預測預報領域應用研究起步較晚，與世界先進國家存在較大的差距[1]。目前國內洪水預報應用較多的是基于DEM的分布式水文模型及專家交互式洪水預報系統(tǒng)。

多年來長江上游洪水預報主要是采用基于傳統(tǒng)的水文學方法的專家交互式洪水預報系統(tǒng)。現(xiàn)行的洪水預報方案己經(jīng)過多年的實踐檢驗應用，可信度及實用性較高。長江上游流域近年來建設了大量水庫電站工程，受樞紐運行的影響，河道的水流特性將變得更復雜，也給上游洪水預報工作帶來諸多困難。同時，洪水調度和水資源管理對洪水預報的依賴性較強，洪水預測預報已經(jīng)成為科學調控洪水的重要依據(jù)和首要環(huán)節(jié)。因此，要提高洪水預報精度，特別是短期洪水預報，迫切需要開展基于水文學和水力學模型相結合的洪水預報方法的應用研究。

為此，本文在長江上游典型河段建立了變糙率水力學模型，開展該模型在長江上游洪水預報中的應用研究。

1 水動力學模型

水流連續(xù)方程

(1)

水流運動方程

(2)

2 糙率的優(yōu)化選取

水力學模型應用要給定各種參數(shù)。其中，糙率值參數(shù)是一個間接量，不能直接測得。

正確地確定糙率值十分困難。首先，糙率是河床、岸壁的不規(guī)則性和表面粗糙程度以及其他影響水流運動能量損失因素的一個綜合性指標，與河道的組成、河道的水力半徑、水深、植被生長狀況、壁面及河床粗糙程度、含沙量、河流彎曲程度、床面坡度、河床沖淤情況以及整治河道的人工建筑物等諸多因素有關。因而，糙率的選取十分復雜[2～4]。

本文常糙率水力學模型中糙率取值的思路是：考慮計算河段的洪水實際情況，分析歷年來遭遇洪水的洪峰流量大小，采用恒定非均勻流的方法對該流量級下河段的糙率進行率定計算。若洪峰水位的計算值與實測值的誤差值在可接受的范圍內，河段常糙率的選取工作則完成，否則需對糙率進行局部修正并重復上述過程，直至洪峰水位的計算誤差在可接受的范圍內。

鑒于洪水洪峰量級的隨機和不確定性，常糙率水力學模型應用在實際預報工作中存在的局限性，建立了變糙率水力學模型。

本文變糙率水力學模型中糙率取值的思路是引入函數(shù)關系。結合實際應用的可操作性，考慮變糙率的洪水過程預測問題。模型針對具體的流量級，對各流量級的初始糙率值進行率定計算，率定方法與常糙率的率定過程相同，進而得到各流量級的系列糙率。再分流量級擬定變糙率基于系列糙率的函數(shù)關系，根據(jù)歷史實測數(shù)據(jù)，利用多次洪水過程率定出不同流量級的最優(yōu)糙率關系式。利用該方法，模型實現(xiàn)了不同流量下糙率參數(shù)的自動計算

(3)

式中,nr為糙率初始參照值；ai,bi為常數(shù)；不同流量級取值不同，根據(jù)各流量級歷史洪水資料率定確定；q為流量；Q1,Q2為流量級范圍上下限。

3 應用實例

本文通過建立嘉陵江典型河段水力學模型，開展水力學模型在長江上游洪水預報中的應用研究。

嘉陵江發(fā)源于秦嶺山脈陜西省鳳縣代王山南側東峪溝，干流全長1 120 km，天然落差約2 300 m，是長江水系流域面積最大的一條支流。近年來，嘉陵江河段已逐步建成梯級電站。草街航電樞紐位于重慶合川區(qū)境內草街鎮(zhèn)附近的嘉陵江干流河段上，是嘉陵江干流規(guī)劃自下而上開發(fā)的第2個梯級，上游回水在嘉陵江上緊接利澤梯級、渠江上緊接富流灘梯級、涪江上緊接渭沱梯級，下游尾水與井口梯級正常蓄水位相接。樞紐工程上距合川區(qū)約27 km，下距重慶市(嘉陵江河口)約68 km。

東津沱水位站位于草街庫區(qū)，是重慶市合川區(qū)防洪的重要依據(jù)站。自草街電站2012年全面投入運行以來，東津沱站受草街水庫變動回水影響，采用常規(guī)的水文學方法進行水位預報難度很大。

《綠野仙蹤》整體上以主人公冷于冰求仙得道的故事作為主線，先在前十回講述冷于冰從仕途不得志到看破紅塵，再到四處訪道，終于獲得道術的過程；之后遵照火龍真人“廣積陰德”的指示將度化眾人的故事串聯(lián)起來，形成一個整體，最后以冷于冰得到敕封上仙結束。這與《西游記》等神魔小說的結構基本一致，只是《綠野仙蹤》中的故事有先后順序，各個故事之間有承接關系，不能隨意調換。

3.1 計算范圍

東津沱站位于草街電站庫區(qū)，綜合考慮草街電站可能影響范圍、河段河勢及水文站點等因素，計算范圍包括壩址附近到上游涪江匯合口河段，長約24.36 km，共布置了81個斷面(詳見圖1)。

圖1 嘉陵江斷面布置

3.2 計算邊界條件及水庫調度運行方式

模型上邊界為草街電站的入庫流量，下邊界為草街電站的壩前水位。

草街電站平、枯期(11月～次年4月)水庫水位維持在正常蓄水位 203 m運行。

汛期(5～10月)，當入庫流量小于6 000 m3/s時，閘前維持正常蓄水位203 m運行；當入庫流量在6 000～10 000 m3/s時，泄洪沖沙閘部分開啟泄洪沖沙，閘前水位維持202 m運行；當入庫流量在10 000～15 000 m3/s時，加大下泄，閘前水位維持200 m運行；當入庫流量大于15 000 m3/s，電站逐步停機，水庫敞泄沖沙。

3.3 模型率定

根據(jù)草街電站汛期調度運行方式，在入庫流量小于6 000 m3/s時，閘前維持正常蓄水位203 m運行。東津沱水位變幅相對不大，實際工作中相對更關注入庫流量大于6 000 m3/s時受電站運行影響下東津沱水位的變化情況。因此，嘉陵江典型河段水位預報模型主要是對該河段發(fā)生的洪水來量(即草街壩上入庫流量)不小于5 000 m3/s的情況進行分析，建立東津沱水位預報模型，采用嘉陵江2014年與2015年6～10月發(fā)生的13場洪水的實測資料進行的率定(詳見表1)。

3.4 模型驗證

本文采用嘉陵江2012年與2013年5～10月發(fā)生的3場典型洪水過程實測資料分別對常糙率及變糙率模型的糙率值進行驗證計算[5～6]。

表1 模型率定參數(shù)實測值與計算值分析表

圖2 2012“7.6”洪水過程中洪水位計算值與實際值對比

圖3 2012“9.3”洪水過程中洪水位計算值與實際值對比

圖4 2013.7洪水過程中洪水位計算值與實際值對比

2012年7月、9月和2013年7月發(fā)生的3場典型洪水過程的洪水位常糙率計算值、變糙率計算值與實測值對比見圖2～4。

對2012年7月、9月和2013年7月的3場洪水過程洪水位的計算值與實測值進行誤差分析后得出：常糙率水力學模型洪水位計算值與實際值誤差不超過0.30 m 所占比為 21.9% ；誤差不超過 0.40 m所占比為28.3%；誤差不超過0.50 m所占比為34.2%；變糙率水力學模型洪水位計算值與實際值誤差不超過0.30 m所占比為58.3%；誤差不超過0.40 m所占比為 72.7%；誤差不超過 0.50 m所占比為 82.4%。

綜上所述，嘉陵江典型河段變糙率水力學模型在東津沱水位預報上的精度明顯高于常糙率模型，模型可在實際預報中參考使用。

4 結 語

研究了水力學模型在嘉陵江典型河段水位預報中的應用并對模型進行了優(yōu)化。采用歷年洪水實測資料對優(yōu)化之后的變糙率水力學模型進行率定驗證，模擬計算的嘉陵江東津沱站的水位具有一定的精度，可作為預報方法之一進行使用，同時，為了提高洪水預報的精度，有必要對水力學模型進行實時校正。

由于水文預報的高度復雜性，水文預報中仍有許多值得研究和探索的問題，單一模型難以解決，因此，應結合多種方法，揚長避短，以提高預報精度。水力學模型研究在水文預報中的應用前景十分廣闊，意義重大。

[1] 劉志雨.我國洪水預報技術研究進展與展望[J].中國防汛抗旱，2009(5):13-16.

[2] 賴錫軍,姜加虎,黃群.應用最優(yōu)控制理論自動率定二維淺水方程的糙率參數(shù)[J].水科學進展，2008,19(3):383-388.

[3] 齊鄂榮,羅昌.庫區(qū)河道非恒定流糙率的選取及特性[J].武漢大學學報：工學版，2003,36(2):1-5.

[4] 楊仙. 水文站水位-糙率關系分析與應用[C]∥云南省水利學會學術年會.昆明， 2015.

[5] 高攀宇,李身渝,曾適,等.嘉陵江流域暴雨洪水特征及預報[J]. 人民長江, 2011,42(11):56-59.

[6] 鄔志紅.長江嘉陵江交匯口水力特性數(shù)值模擬研究[D]. 重慶:重慶交通大學, 2012.

(編輯：朱曉紅)

2017-01-09

姜利玲，女，長江水利委員會水文局長江上游水文水資源勘測局，工程師.

1006-0081(2017)04-0013-04

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