姜利玲 湯成友 曾 適

變糙率水力學(xué)模型在長江上游洪水預(yù)報中的應(yīng)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(xué)模型在實(shí)際洪水預(yù)報中存在的局限性，提出了變糙率水力學(xué)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(xué)模型在洪水預(yù)報中的應(yīng)用進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析比較。結(jié)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(yù)報、河道防洪等具有較大的參考意義與實(shí)用價值。

水力學(xué)模型；常糙率；變糙率；洪水預(yù)報；嘉陵江；長江

我國在洪水預(yù)測預(yù)報領(lǐng)域應(yīng)用研究起步較晚，與世界先進(jìn)國家存在較大的差距[1]。目前國內(nèi)洪水預(yù)報應(yīng)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(yù)報系統(tǒng)。

多年來長江上游洪水預(yù)報主要是采用基于傳統(tǒng)的水文學(xué)方法的專家交互式洪水預(yù)報系統(tǒng)?，F(xiàn)行的洪水預(yù)報方案己經(jīng)過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)應(yīng)用，可信度及實(shí)用性較高。長江上游流域近年來建設(shè)了大量水庫電站工程，受樞紐運(yùn)行的影響，河道的水流特性將變得更復(fù)雜，也給上游洪水預(yù)報工作帶來諸多困難。同時，洪水調(diào)度和水資源管理對洪水預(yù)報的依賴性較強(qiáng)，洪水預(yù)測預(yù)報已經(jīng)成為科學(xué)調(diào)控洪水的重要依據(jù)和首要環(huán)節(jié)。因此，要提高洪水預(yù)報精度，特別是短期洪水預(yù)報，迫切需要開展基于水文學(xué)和水力學(xué)模型相結(jié)合的洪水預(yù)報方法的應(yīng)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(xué)模型，開展該模型在長江上游洪水預(yù)報中的應(yīng)用研究。

1 水動力學(xué)模型

水流連續(xù)方程

(1)

水流運(yùn)動方程

(2)

2 糙率的優(yōu)化選取

水力學(xué)模型應(yīng)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(yùn)動能量損失因素的一個綜合性指標(biāo)，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(guān)。因而，糙率的選取十分復(fù)雜[2～4]。

本文常糙率水力學(xué)模型中糙率取值的思路是：考慮計(jì)算河段的洪水實(shí)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(jìn)行率定計(jì)算。若洪峰水位的計(jì)算值與實(shí)測值的誤差值在可接受的范圍內(nèi)，河段常糙率的選取工作則完成，否則需對糙率進(jìn)行局部修正并重復(fù)上述過程，直至洪峰水位的計(jì)算誤差在可接受的范圍內(nèi)。

鑒于洪水洪峰量級的隨機(jī)和不確定性，常糙率水力學(xué)模型應(yīng)用在實(shí)際預(yù)報工作中存在的局限性，建立了變糙率水力學(xué)模型。

本文變糙率水力學(xué)模型中糙率取值的思路是引入函數(shù)關(guān)系。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的可操作性，考慮變糙率的洪水過程預(yù)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(jìn)行率定計(jì)算，率定方法與常糙率的率定過程相同，進(jìn)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(guān)系，根據(jù)歷史實(shí)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(guān)系式。利用該方法，模型實(shí)現(xiàn)了不同流量下糙率參數(shù)的自動計(jì)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(yīng)用實(shí)例

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

嘉陵江發(fā)源于秦嶺山脈陜西省鳳縣代王山南側(cè)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(nèi)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(yùn)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(xué)方法進(jìn)行水位預(yù)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(shù)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(jié)束。這與《西游記》等神魔小說的結(jié)構(gòu)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(guān)系，不能隨意調(diào)換。

3.1 計(jì)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(diǎn)等因素，計(jì)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(jì)算邊界條件及水庫調(diào)度運(yùn)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(yùn)行。

汛期(5～10月)，當(dāng)入庫流量小于6 000 m3/s時，閘前維持正常蓄水位203 m運(yùn)行；當(dāng)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(yùn)行；當(dāng)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(yùn)行；當(dāng)入庫流量大于15 000 m3/s，電站逐步停機(jī)，水庫敞泄沖沙。

3.3 模型率定

根據(jù)草街電站汛期調(diào)度運(yùn)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(yùn)行。東津沱水位變幅相對不大，實(shí)際工作中相對更關(guān)注入庫流量大于6 000 m3/s時受電站運(yùn)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(yù)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(jìn)行分析，建立東津沱水位預(yù)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(shí)測資料進(jìn)行的率定(詳見表1)。

3.4 模型驗(yàn)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(shí)測資料分別對常糙率及變糙率模型的糙率值進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算[5～6]。

表1 模型率定參數(shù)實(shí)測值與計(jì)算值分析表

圖2 2012“7.6”洪水過程中洪水位計(jì)算值與實(shí)際值對比

圖3 2012“9.3”洪水過程中洪水位計(jì)算值與實(shí)際值對比

圖4 2013.7洪水過程中洪水位計(jì)算值與實(shí)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(jì)算值、變糙率計(jì)算值與實(shí)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(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行誤差分析后得出：常糙率水力學(xué)模型洪水位計(jì)算值與實(shí)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(xué)模型洪水位計(jì)算值與實(shí)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(xué)模型在東津沱水位預(yù)報上的精度明顯高于常糙率模型，模型可在實(shí)際預(yù)報中參考使用。

4 結(jié) 語

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

由于水文預(yù)報的高度復(fù)雜性，水文預(yù)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(yīng)結(jié)合多種方法，揚(yáng)長避短，以提高預(yù)報精度。水力學(xué)模型研究在水文預(yù)報中的應(yīng)用前景十分廣闊，意義重大。

[1] 劉志雨.我國洪水預(yù)報技術(shù)研究進(jìn)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(yīng)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(xué)進(jìn)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(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2003,36(2):1-5.

[4] 楊仙. 水文站水位-糙率關(guān)系分析與應(yīng)用[C]∥云南省水利學(xué)會學(xué)術(shù)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(yù)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(xué), 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

TV13

A