倪培桐

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510630；2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣東 廣州 510630；3.河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室,廣東 廣州 510630)

1 研究背景

珠江水系由西江、北江、東江干流及三角洲河道組成，自20世紀80年代以來，由于人類活動特別是采砂等活動影響，造成河床下切、河道H-Q關系變化等水文變異問題明顯，并直接導致以往水文計算成果偏差變大，影響防洪規(guī)劃決策，危及工程設計、施工安全。鑒于此，水文變異已成為近年來很多學者研究的熱點問題[1-5]。

由于河床下切引起河道H-Q關系發(fā)生相應變化，重新推求河道水面線成為水利規(guī)劃、防洪減災的重要工作。河道糙率是水面線推算過程中的重要參數(shù)，反映了水流運動阻力的影響。河道糙率選取一般有查表法、糙率公式法、試錯法等，基于實測資料的試錯法是目前工程應用的主要方法[6-8]。河道糙率反演的遺傳算法、濾波方法等可提高精度、減少人為因素影響[8-12]，另外提高河道控制站H-Q曲線的準確度也是糙率反演的重要內容[13-14]。

東江流域河床下切及H-Q曲線的劇烈變化主要發(fā)生在1990年前后，河道下切首先從三角洲河道開始，向上游不斷發(fā)展。由于河道糙率分析需要實測水文資料及匹配的河道地形資料，從東江流域現(xiàn)有資料看，1999年河道地形測繪期間，東江干流河源-嶺下段河床穩(wěn)定，博羅以下河床下切量大且H-Q曲線劇烈[15]?；?999年河道地形及水文資料分析東江干流變化環(huán)境下河道糙率參數(shù)問題，具有較好的代表性。本研究可為東江流域設計洪潮水面線推算提供參考。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 區(qū)域概況

東江發(fā)源于江西省尋鄔縣椏髻嶺，干流由東北向西南流經(jīng)廣東境內龍川、河源、紫金、博羅、惠陽至東莞石龍，石龍以下進入南支流和北干流兩大水道之間的三角洲河網(wǎng)區(qū)，然后經(jīng)多個口門匯入獅子洋，經(jīng)虎門出海。干流由源頭至石龍長約520 km，至獅子洋總長約562 km。石龍以上廣東省境內約23 540 km2，約占流域總面積的87.06%，石龍以下的東江三角洲面積約為1 380 km2。

東江流域屬亞熱帶氣候，高溫濕潤多雨，具有明顯的干濕季節(jié)。多年平均降水量在1500～2400mm之間，年內降雨分配不均，其中4-9月份占全年降雨的80%以上。東江洪水特點是水情復雜，洪水遭遇種類繁多。由鋒面雨造成的洪水峰型較肥碩，漲水緩慢。由臺風雨造成的洪水峰型尖瘦，漲落變化快，一次洪水過程一般為6～8 d。

2.2 數(shù)據(jù)來源

地形分析主要采用較為系統(tǒng)的成套地形資料，包括1964年、1999年河道地形圖。除上述地形資料外，還有主要水文站大斷面歷年地形觀測資料。

水文分析主要采用1955-2000年東江干流及三角洲河網(wǎng)常設水文/水位站及地方水利設施的洪水水文要素資料，包括楓樹壩水庫(梅光村)、龍川、新豐江水庫、白盆珠水庫、河源、嶺下、博羅、觀音閣、惠陽、大盛、泗盛圍、石龍(樊屋)等站位(圖1)，以及重要水利工程的水位觀測資料(如東深取水口)、東江歷史洪水調查資料[16]、水文專題觀測資料等。

圖1 東江流域常設水文、水位站示意圖

2.3 數(shù)學模型

基于一維圣維南方程組及河道地形剖分斷面建立東江干流及三角洲水流數(shù)學模型[15]，模型計算分為恒定流和非恒定流兩種類型，上邊界取值為水文站流量或流量過程，下邊界取值為控制站的水位或水位過程，反求河道斷面糙率及計算水面線，計算范圍為東江河源到三角洲口門。河道總長約150 km，河道地形斷面剖分間距約500～1 500 m。

2.4 河道斷面K參數(shù)

(1)

式中：V為斷面流速,m/s；S為比降；R為水力半徑,m；n為糙率；K為比降與糙率的比值。窄深河床的K值隨平均水深的增加趨向于常數(shù)，寬淺河床的K值乘以h/B，修正后仍然可得到穩(wěn)定的結果，黃河及長江實測資料顯示，平均水深超過3 m時，K值趨向常數(shù)，河寬較小的斷面，平均水深小于3 m，K值趨向穩(wěn)定[17]。

3 結果與討論

3.1 主要控制站位H-Q分析

3.1.1 地形變化分析 受自然及人類活動等因素的影響，20世紀90年代東江下游河床下切嚴重，糙率分析必須要考慮地形演變因素。圖2是1965年以來東江干流3個主要水文站大斷面平均水深的變化過程，其中河源站大斷面在1989年前變化相對較小，在2000年斷面平均水深增大約0.48 m，下切跡象明顯，嶺下站大斷面相對穩(wěn)定，博羅斷面變化最大，河床平均高程下切約1.14 m，最大下切約4 m。

圖2 主要水文站大斷面平均水深年變化圖

東江干流1964年與1997年低量級洪水條件下的河段槽蓄容積變化見表1。各河段低流量級洪水基本都已經(jīng)漫灘，低流量級情況下河源-惠陽段河床變形及洪水水位變化都較小，河源-觀音閣段河道槽蓄容積變化小于1%。博羅-樊屋段河床地形變化較大，博羅洪峰流量為4 800 m3/s時，石馬河-樊屋段河道槽蓄容積增加可達到114%。

3.1.2H-Q關系曲線分析

(1)河源、嶺下、博羅站現(xiàn)狀H-Q分析。受斷面下切影響，河源站1995-2000年低流量級H-Q曲線較歷史H-Q曲線低(圖3(a))。采用K值參數(shù)方法分析河源站H-Q高水部分。河源站1968年與1995年斷面K值相關性較高(圖3(b))，根據(jù)相關公式對K值延伸并計算現(xiàn)狀地形條件下的H-Q曲線，在約4 000 m3/s時1995-2000年與歷史H-Q曲線已經(jīng)重合(圖3(c))，河源站斷面H-Q曲線的高水部分可以用歷史H-Q曲線代替，修正后河源站H-Q現(xiàn)狀見圖3(d)中虛線部分)。

嶺下站現(xiàn)狀與歷史實測H-Q分布在同一帶狀區(qū)域內(圖4(a))，該水文站綜合H-Q曲線變化不大，其現(xiàn)狀H-Q曲線可根據(jù)歷史實測水文數(shù)據(jù)定線，高水部分則根據(jù)斷面K值延伸，修正后嶺下站現(xiàn)狀H-Q曲線見圖4(b)中虛線部分。

表1 東江干流河段槽蓄容積比較

注：表中數(shù)據(jù)以1964年與1999年地形資料作計算比較。

圖3 河源水文站H-Q關系分析

博羅水文站綜合H-Q曲線逐年下移(圖5(a))，H-Q曲線的這種變化特征與附近及下游河道的下切有關。比較1966年及2000年實測洪水K值(圖5(b))，相同水深下2000年K值近似等于1966年K值，以此計算出現(xiàn)狀博羅H-Q曲線。利用《劍潭水利樞紐可研報告》實測水文資料及省惠州水文分局2003年枯季實測資料計算K值[18]，分別計算博羅H-Q曲線(圖5(c)的曲線1、曲線2)，上述曲線非常接近。說明對于1999年河道地形而言，圖5(d)中H-Q曲線是較為合理的。

(2)其他站點H-H、H-Q分析。根據(jù)洪水期間臨時測站資料，建立水口、橫瀝與嶺下站的H-H相關曲線(圖6、7)。觀音閣水位站有歷年實測水位資料，結合河源站、嶺下站洪峰流量，按面積比的綜合指數(shù)n計算出觀音閣流量，從而確定其H-Q曲線。觀音閣-惠陽區(qū)間建立水口、橫瀝與嶺下站的H-H相關關系，惠陽以下分別建立博羅站與惠陽站、石馬河、樊屋站水位相關曲線。

3.2 糙率分析

利用上述H-Q、H-H相關數(shù)據(jù)反求高流量級的東江干流河道糙率，低流量級河道糙率利用實測洪水過程資料率定，不同流量級下的河道糙率結果見圖8。東江干流河源-博羅河段河道糙率沿程取值0.025～0.038之間，取值范圍與歷史成果接近[18]。博羅-劍潭河段、汝湖-惠陽、上幾角-下幾角、博埔水附近、釣魚港附近河道糙率較大(超過0.03)，這些糙率較大河段的床面坡降較大有關。從流量與河道糙率相關關系看[17]，圖8(a)的新村、河源、橫圳等斷面附近為寬淺型河道，圖8(b)的大嵐水、蘆洲、圖8(d)的蝦村等斷面附近為相對窄深的河道類型。

圖4 嶺下水文站H-Q關系分析

圖5 博羅水文站H-Q關系分析

圖6水口、橫瀝、觀音閣水位相關分析 圖7觀音閣H-Q曲線分析

圖8 河道典型斷面糙率與流量關系圖

利用現(xiàn)狀地形及糙率結果，復演同量級的各場歷史洪水，可以判定該量級洪水在該河段水面線的下降程度，從而可在一定程度上評估糙率的可靠程度。

河源-觀音閣段于1987年發(fā)生了近4 000 m3/s流量級的洪水(1987年5月21日，河源站實測洪峰流量為3 780 m3/s)，用該場洪水可率定出該洪水量級在當前地形條件下的河道糙率值，利用同量級19場歷史洪水進行驗證(表2)，誤差部分來源于河道地形演變引起的水位變化，歷史洪水計算與實測的差值均小于0.25 m，平均約0.11 m，除去地形變化的誤差影響，基于糙率的水面線計算結果是基本合理的。

表2 歷史洪水驗證計算結果

4 結 論

根據(jù)河床演變、洪水變化比較分析結果、主要水文/水位站水位-流量關系曲線、水位相關關系等數(shù)據(jù)，綜合選取東江干流模型率定數(shù)據(jù)。

(1)河源站低流量級1999年H-Q較歷史H-Q低，在4 000 m3/s以上則與歷史H-Q曲線基本重合。嶺下站的H-Q曲線變化較小，嶺下站1999年H-Q曲線可根據(jù)歷史實測水文數(shù)據(jù)定線。博羅水文站附近及下游河道逐年下切，其綜合水位流量關系逐年下移?；?966年實測高流量條件K值推算出的博羅1999 年H-Q曲線較為合理。

(2)東江干流河源-博羅河道糙率沿程取值0.025～0.038之間，取值范圍與歷史成果接近。部分位置如博羅-劍潭河段、上幾角-下幾角附近河道糙率較大(超過0.03)，這些糙率較大河段與床面坡降較大有關。