王世策

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 永安 366000）

受變動(dòng)回水影響的洪水位預(yù)報(bào)研究

王世策

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 永安 366000）

理論上講，受變動(dòng)回水的影響的洪水位預(yù)報(bào)，可以通過受影響河段水面落差反映其影響程度，并加以改正。但實(shí)際上，河段的落差無法預(yù)報(bào)。本文闡述了用水面線計(jì)算方法來解決這一問題的途徑，經(jīng)過多年來的作業(yè)預(yù)報(bào)應(yīng)用，取得了較好的效果。

變動(dòng)回水 洪水位預(yù)報(bào) 水面線計(jì)算

隨著水利水電事業(yè)的發(fā)展，江河水能資源的開發(fā)和梯級(jí)水電站的建設(shè)方興未艾，大小河流上水庫、攔河壩眾多。受水電站變動(dòng)回水影響的水文站也越來越多，原有的單一關(guān)系被破壞，即對(duì)同一流量其洪水位因下游電站壩上水位的不同而不同，因此洪水位預(yù)報(bào)難度增大。

1 變動(dòng)回水影響的一般概念

洪水位預(yù)報(bào)斷面下游水體水位的變化，產(chǎn)生對(duì)預(yù)報(bào)斷面水面比降（落差）的影響，進(jìn)而引起預(yù)報(bào)斷面水位的變化，使水位流量關(guān)系散亂，不成為單一的關(guān)系，對(duì)同一流量，比降（落差）大水位低，比降（落差）小水位高，下游水體對(duì)水位流量關(guān)系的這種影響，稱為變動(dòng)回水的影響。產(chǎn)生變動(dòng)回水的原因一般有：支流測(cè)站受干流漲水的頂托；干流測(cè)站受下游支流漲水的頂托；下游水庫、湖泊、海洋等水體的變化引起的頂托等。

受變動(dòng)回水影響的水流，一般可認(rèn)為屬于穩(wěn)定漸變流。因?yàn)橄掠嗡康淖兓话闶蔷徸兊?，下游回水頂托引起比降的變化也是緩變的。因此，受變?dòng)回水影響時(shí)的流量與各水力因素之間的關(guān)系可用曼寧公式表示：

式中Q為流量，n為糙率，A為斷面面積，R為水力半徑，Se為能面比降。在斷面穩(wěn)定，河道順直時(shí)，一般n、A、R均為水位的函數(shù)，忽略流速水頭的沿程變化，用水面比降S代替能面比降Se，則某水位時(shí)因變動(dòng)回水影響程度不同的

兩流量之比為：

用函數(shù)關(guān)系表示為 Q=g（Z，ΔZ）或 Z=f（Q，ΔZ）。

上式說明了受變動(dòng)回水影響的水位不僅與上游來水（流量）有關(guān)系，還與水面落差有關(guān)系。

2 水面線計(jì)算方法的應(yīng)用

受變動(dòng)回水的影響的洪水位預(yù)報(bào)，從上述理論上講，可以通過受影響河段水面落差反映其影響程度，并加以改正。但實(shí)際上，河段的落差無法預(yù)報(bào)。用水面線計(jì)算方法成為解決這一問題的一種途徑。

2.1 伯努利方程式

天然河道蜿蜒曲折，其過水?dāng)嗝嫘螤詈偷灼卵爻套兓拥啦诼恃爻套兓?，流量也是沿程變化的。由于天然河道的上述特點(diǎn)，其水面線常用分段法計(jì)算，即采用天然河道非均勻漸變流的伯努利方程式：

式中:Zu、ZL為上、下斷面水位；Vu、VL為上、下斷面平均流速；hf為沿程水頭損失；hξ為局部水頭損失；Q為流量；A為斷面面積；L為斷面間距（河段長度）；n為糙率；R為水力半徑；ξ為擴(kuò)散系數(shù)。

山區(qū)河流河道斷面多呈窄深型，在河流上所建水庫庫區(qū)一般屬河川型水庫，上述伯努利方程適用于此類庫區(qū)水面線計(jì)算。窄深型河道的斷面較為整齊，洪水情況下糙率、擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)隨水位變化不大，因而在沒有足夠次數(shù)的洪水水面線資料供分析的條件下，同一河段各級(jí)洪水位糙率參數(shù)采用同一分析成果，基本可行。

2.2 河道糙率計(jì)算

在取得可靠的洪水水面線資料、流量資料、河道斷面資料的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算河道糙率。將伯努利方程變形，導(dǎo)出河段糙率計(jì)算公式，由此計(jì)算公式計(jì)算出沿江各河段糙率。

2.3 預(yù)報(bào)流量及壩上起始水位的確定

將上游控制站的實(shí)測(cè)（或預(yù)報(bào)）流量合成，并考慮區(qū)間入流等因素預(yù)報(bào)下游站流量。水庫管理單位及有關(guān)部門，進(jìn)行水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度，可預(yù)計(jì)并控制壩上水位過程，根據(jù)提供的壩上控制水位，確定水面線計(jì)算的壩上起始水位。壩上水位取值誤差所帶來的水面線計(jì)算的誤差自下游到上游逐漸減小，對(duì)回水末端河段影響最小。

2.4 洪水位計(jì)算

采用前述伯努利方程式，根據(jù)已有的斷面資料、糙率資料，按以上確定的預(yù)報(bào)流量和壩上起始水位以及庫區(qū)支流來水量，從壩上斷面開始，自下游至上游逐段推算沿河洪水位，預(yù)報(bào)站斷面推算水位即為所求。每一河段水面線計(jì)算方法為：河段長度L經(jīng)量算確定；河段糙率n由歷史資料按（3）式計(jì)算求得；下斷面水位ZL為從壩上斷面開始，逐段推算的結(jié)果；流量Q由上述預(yù)報(bào)確定，遇較大支流匯入時(shí)，河段流量相應(yīng)改變；根據(jù)上、下斷面情況選擇擴(kuò)散系數(shù)ξ：逐漸擴(kuò)散ξ=0.3～0.5，急劇擴(kuò)散ξ=0.5～1.0，收縮河段局部水頭損失可以忽略，ξ=0。假定上斷面水位Zu,可計(jì)算出方程式兩邊的數(shù)值,若方程兩邊的數(shù)值相等或接近，則假定的Zu即為所求，否則，應(yīng)重新假定Zu，重新計(jì)算，直至求出Zu為止。

表1 河段糙率計(jì)算表

表2 河段水面線計(jì)算數(shù)據(jù)表

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 洪水位計(jì)算

現(xiàn)以某庫區(qū)一場(chǎng)洪水為例，說明其作業(yè)預(yù)報(bào)過程。1999年5月26日20時(shí)，預(yù)報(bào)5月27日5時(shí)預(yù)報(bào)站流量21300 m3/s，預(yù)計(jì)庫區(qū)區(qū)間主要支流相應(yīng)入庫流量1200 m3/s，根據(jù)該水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度，預(yù)計(jì)5月27日5時(shí)壩上水位60.9m，按照上述方法，計(jì)算沿江各斷面洪水位，直至預(yù)報(bào)站斷面。由于河段數(shù)甚多，僅列舉一個(gè)河段（30～31號(hào)斷面）進(jìn)行洪水水面線計(jì)算，進(jìn)一步說明方程中各參數(shù)的確定。

3.1.1 30號(hào)斷面至31號(hào)斷面河段長L=1880m。

3.1.2 河段糙率根據(jù)往年同期洪水資料按（3）式計(jì)算而得，該河段糙率計(jì)算的有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。從上表數(shù)據(jù)可以看出，該河段屬逐漸擴(kuò)散河段，ξ取0.3，將以上數(shù)據(jù)代入河段糙率計(jì)算公式求得n=0.038。

3.1.3 下斷面水位ZL=65.76m（從下游向上游逐段推算結(jié)果）。

3.1.4 流量Q=21300 m3/s（預(yù)報(bào)斷面至此河段無大支流加入，直接采用預(yù)報(bào)斷面流量）。

3.1.5 擴(kuò)散系數(shù)ξ取0.3。

假定上游水位Zu，將以上參數(shù)代入（2）式，逐次逼近試算，當(dāng)Zu=65.95m時(shí)，方程兩邊數(shù)值為66.15，Zu=65.95m即為所求。該河段有關(guān)水面線計(jì)算數(shù)據(jù)見表2。

按上述方法逐段計(jì)算至預(yù)報(bào)站斷面，得預(yù)報(bào)站斷面洪峰水位為71.15m，實(shí)測(cè)洪峰水位為71.27m，誤差為-0.12m。

3.2 洪水位作業(yè)預(yù)報(bào)精度評(píng)定

本預(yù)報(bào)方法在近年洪水位預(yù)報(bào)中應(yīng)用的效果較好。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》作業(yè)預(yù)報(bào)精度評(píng)定方法，預(yù)報(bào)合格率達(dá)82%。

4 結(jié)語

水面線計(jì)算方法對(duì)于受變動(dòng)回水影響的洪水位預(yù)報(bào)是一種行之有效的途徑，還可預(yù)報(bào)出沿江沿河各地的洪水位，為防汛服務(wù)。但該法對(duì)基礎(chǔ)資料要求高，計(jì)算量大，必須投入大量的人力、物力收集準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)資料，并經(jīng)過大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，分析沿河水力參數(shù)和進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào)。將其編制成計(jì)算機(jī)軟件，用計(jì)算機(jī)計(jì)算，十分方便快捷，如能結(jié)合水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)使用，則效果更佳

（專欄編輯：張 婷）