陳鑫池, 顧立忠, 劉畫眉, 蔡素芳

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省第九批援藏工作隊(duì)，西藏 林芝 860003；3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000；4.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635)

江河湖泊具有重要的資源功能和生態(tài)功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。在河道管理范圍劃定、水域岸線保護(hù)與利用規(guī)劃、防洪治理與城市生態(tài)水系規(guī)劃等工作中，常以水面線的推求為基礎(chǔ)工作，且水面線的推算結(jié)果對(duì)工程的安全運(yùn)行影響較大。常用的河道水面線推算方法主要有恒定流法、均勻流法以及非恒定流法[1]。河道恒定流法是根據(jù)能量守恒定律，由上、下游河道斷面水位推算出河道水面線。河道均勻流法假設(shè)河道水流流線互相平行，河道斷面的尺寸和形狀是恒定不變的，這2種方法都存在著較大的局限性[2-3]。河道非恒定流法是根據(jù)河道上、下游過水?dāng)嗝嫠缓土魉?，由?dòng)量守恒和質(zhì)量守恒原理進(jìn)行水力計(jì)算，該方法應(yīng)用范圍廣、適用性強(qiáng)[4-6]。

河湖管理涉及水域、岸線、采砂、排污口設(shè)置、涉河建設(shè)項(xiàng)目等方面，是水利社會(huì)管理的核心內(nèi)容，是確保河湖資源可持續(xù)利用的重要工作[1]。對(duì)高原山區(qū)河流，河道管理范圍的劃定以河道設(shè)計(jì)水面線與岸坡的交線為基準(zhǔn)，因此，河道水面線的推算結(jié)果直接影響到河湖管理范圍的空間與管控面積。河道水面線的推求除了對(duì)河道斷面資料要求較高外，一般需根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行參數(shù)的率定驗(yàn)證，高原山區(qū)河流站點(diǎn)稀少，且容易發(fā)生洪水與泥石流等自然災(zāi)害，難以布設(shè)水文站點(diǎn)觀測到長序列的資料，很多站點(diǎn)工程在建設(shè)不久即被沖毀。不僅如此，沿河梯級(jí)水電站的開發(fā)對(duì)河道水面線影響也較大。因此，高原山區(qū)河流因其缺乏資料特性，增加了河道水面線計(jì)算的難度。

本文以位于林芝市工布江達(dá)縣的巴河曲為例進(jìn)行水面線推求計(jì)算工作，并以此為基礎(chǔ)將其應(yīng)用至巴河曲的河道管理范圍劃界工作。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)資料

1.1 研究區(qū)域

巴河曲是尼洋河上游左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于錯(cuò)高鄉(xiāng)拉瑪葉隆上游附近、念青唐古拉山脈東端南麓，從源頭流出后由西北向東南流，在錯(cuò)高鄉(xiāng)久巴村折向南流，在錯(cuò)高村下游匯入巴松措湖，流出巴松措后進(jìn)入巴河鎮(zhèn)折向西流，在巴河鎮(zhèn)雪卡村下游右納最大支流朱拉曲后折向南流，最終在巴河集鎮(zhèn)附近于左岸匯入干流尼洋河。

全流域均位于工布江達(dá)縣境內(nèi)，流域范圍具體為錯(cuò)高鄉(xiāng)和朱拉鄉(xiāng)的全部鎮(zhèn)域范圍及巴河鎮(zhèn)的絕大部分鎮(zhèn)域范圍，干流河長為106 km，全流域面積為4 229 km2，水面落差為770 m，平均坡降為16.7‰，多年平均徑流量為61.5億m3，流域內(nèi)高山冰川積雪面積有625.8 km2。

考慮巴松措湖口建有沖久水庫閘壩工程，本次研究范圍為巴松措湖口至巴河曲河口，河段全長約為38 km。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究區(qū)域資料匱乏，可參考資料不多，本文用到的資料包括3部分：

1)DEM數(shù)據(jù)，DEM 數(shù)據(jù)來源于 SRTMDEMUTM 90 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，空間分辨率為90 m×90 m。

2)收集的《西藏巴河老虎嘴水電站可行性研究報(bào)告》、《西藏巴河雪卡水電站(含沖久水庫)工程竣工安全鑒定設(shè)計(jì)自檢報(bào)告》等資料中關(guān)于水利工程的特性參數(shù)、調(diào)度規(guī)程；《尼洋河流域綜合治理和保護(hù)規(guī)劃修編報(bào)告》中關(guān)于巴河曲河口設(shè)計(jì)水位。

3)實(shí)測河道大斷面，共測量斷面70個(gè)，從上游至河口分別編號(hào)為A01～A70(如圖1所示)。

圖1 測量斷面分布示意

2 研究方法

2.1 一維水動(dòng)力模型

本文結(jié)合實(shí)際情況，將巴河曲進(jìn)行分段，采用一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模計(jì)算巴河曲水面線，該模型基于圣維南方程組建立，為描述水道和其他具有自由表面的淺水體中漸變不恒定水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的偏微分方程組，由反映質(zhì)量守恒定律的連續(xù)方程和反映動(dòng)量守恒定律的運(yùn)動(dòng)方程組成[7-10]：

(1)

(2)

式中：

x，t——空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；

Q，h——斷面流量和水位；

A，R——分別為斷面過水面積和水力半徑；

g——重力加速度；

q——單位河長的旁側(cè)入流量；

C——謝才系數(shù)；

α——垂向速度分布系數(shù)。

2.2 水文比擬法

對(duì)無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水的分析計(jì)算，前人已進(jìn)行多種方法的探索[11-12]，本文因研究區(qū)域資料匱乏，無實(shí)測水文資料進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析，根據(jù)收集到的資料可知尼洋河干流上有更張水文站，本文采用水文比擬法進(jìn)行巴河曲的設(shè)計(jì)洪水分析，水文比擬法計(jì)算公式如下：

(3)

式中:

Q1、F1——研究站點(diǎn)流量與流域面積；

Q2、F2——參證站流量與流域面積；

n——流域特征指數(shù)，參考相關(guān)資料與當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值。

3 結(jié)果與應(yīng)用

3.1 河道分段處理

本次模型研究范圍從巴松措庫尾沖久水庫至巴河匯入干流尼洋河處為終點(diǎn)，全程約為38 km，研究范圍內(nèi)建有2座梯級(jí)電站(如圖2所示)，分別為雪卡電站與老虎嘴電站，對(duì)河道水面線產(chǎn)生較大影響。

圖2 河道分段示意

本文以電站為模型中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，將河流分為3段進(jìn)行模擬：巴河Ⅰ段，起點(diǎn)為沖久水庫，終點(diǎn)為雪卡電站攔河閘；巴河Ⅱ段，起點(diǎn)為雪卡電站攔河閘，終點(diǎn)為老虎嘴電站；巴河Ⅲ段，起點(diǎn)為老虎嘴電站，終點(diǎn)為巴河匯入尼洋河河口。

3.2 設(shè)計(jì)洪水分析

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)，巴河干流防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為10—20年一遇計(jì)，本文按照P=5%與P=10%標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水分析。巴河流域?qū)贌o資料地區(qū)，僅有相關(guān)工程設(shè)計(jì)報(bào)告與干流尼洋河規(guī)劃報(bào)告等資料可參考，因此設(shè)計(jì)洪水采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算，本文根據(jù)工布江達(dá)縣DEM數(shù)據(jù)提取各控制節(jié)點(diǎn)的流域范圍，計(jì)算其流域面積見表1所示。

表1 各控制節(jié)點(diǎn)流域面積 km2

參考尼洋河干流更張水文站的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果，采用水文比擬法計(jì)算得到各控制節(jié)點(diǎn)P=5%與P=10%的設(shè)計(jì)洪水見表2所示。

表2 水文比擬法計(jì)算結(jié)果 m3/s

從表2中可以看出，雪卡電站與朱拉曲洪峰流量之和高于老虎嘴洪峰流量，為干流安全考慮，采用上游與下游同頻區(qū)間相應(yīng)法對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行重新計(jì)算，結(jié)果見表3所示。

表3 各控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果 m3/s

3.3 水面線計(jì)算結(jié)果

3.3.1下邊界條件

參照雪卡電站與老虎嘴電站的工程設(shè)計(jì)報(bào)告，模型的下邊界條件根據(jù)水利工程基本特性與調(diào)度規(guī)則確定，結(jié)果見表4所示，其中巴河Ⅲ段根據(jù)尼洋河規(guī)劃報(bào)告中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的水位成果確定。

表4 模型下邊界水位條件 m

3.3.2模型參數(shù)

由于本研究區(qū)域缺乏實(shí)測資料對(duì)模型進(jìn)行率定工作，因此河道糙率依據(jù)《水利計(jì)算手冊(第二版)》中對(duì)國內(nèi)糙率的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行選定，根據(jù)巴河曲特征確定本文各河段的糙率取值，其中巴河Ⅰ段取值為0.04～0.05，巴河Ⅱ段取值為0.035～0.045，巴河Ⅲ段取值為0.04～0.05，具體取值根據(jù)斷面所處位置河道特征確定。

3.3.3水面線計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上分析建立一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型計(jì)算巴河曲P=5%與P=10%條件下設(shè)計(jì)洪水水面線結(jié)果見表5所示，限于篇幅，表中僅列出圖1中指示的斷面與重要節(jié)點(diǎn)的水位結(jié)果。

表5 水面線計(jì)算結(jié)果 m

從表5中可以看出，P=5%與P=10%條件下設(shè)計(jì)水位差別不大，平均在0.1 m以內(nèi)，P=5%條件下設(shè)計(jì)洪水與河道深泓高程對(duì)比如圖3所示。

圖3 巴河曲水面線P=5%計(jì)算結(jié)果示意

圖3中藍(lán)色線為巴河曲河道水位過程線，紅色實(shí)線為實(shí)測斷面深泓線，從圖中可以看出，沖久水庫至雪卡電站段水位沿程逐漸下降，雪卡電站有攔河閘影響，水位有一定的突降，至老虎嘴電站，由于電站的調(diào)蓄作用，水位落差變大，老虎嘴電站之后至巴河出口，水位平穩(wěn)下降。從起點(diǎn)至終點(diǎn)河流水面落差為263.9 m，沖久水庫至巴河站河流水面比降約為6.96‰，巴河全流域平均比降約為7.26‰，水面比降較為接近。

3.4 結(jié)果應(yīng)用

本次工作依據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果，將其應(yīng)用至河道管理范圍工作中。根據(jù)河道管理范圍線的定義與有關(guān)劃定標(biāo)準(zhǔn)，無堤防的河段以水面線與沿岸交接線為基準(zhǔn)確定管理范圍。本文以巴河曲水面線結(jié)果與沿岸交接線為巴河曲管理范圍，偏安全考慮，本文在劃定河道管理范圍時(shí)以P=5%設(shè)計(jì)條件計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。因河段較長，本文以老虎嘴電站以下的河段為例展示應(yīng)用結(jié)果(如圖4所示)。

圖4 老虎嘴電站至河口段河道管理范圍劃定結(jié)果示意

4 結(jié)語

本文在充分收集林芝市巴河曲與沿河梯級(jí)相關(guān)資料的情況下，參考相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，利用水文水動(dòng)力學(xué)方法建立一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算巴河曲10年一遇與20年一遇水面線，并將20年一遇水面線計(jì)算結(jié)果應(yīng)用至巴河曲河道管理范圍劃定工作中，對(duì)高原地區(qū)與其他無資料地區(qū)的河道水面線推求工作的進(jìn)一步開展具有一定的示范與推動(dòng)作用，為高原地區(qū)河長制的進(jìn)一步實(shí)施，建立嚴(yán)格的河湖管理制度起到積極作用。此外，該項(xiàng)工作除用于河道管理范圍劃定工作外，還可應(yīng)用于其他以水面線為基礎(chǔ)的河湖管理、保護(hù)與流域規(guī)劃等有關(guān)工作。