瓶窑站和余杭站的水位与流量关系分析

王红英,孙映宏

(1.浙江省水文局,浙江 杭州 310009;2.杭州市水文水资源监测总站,浙江 杭州 310016)

1 流域概况

东苕溪为太湖流域的一部分,其主干流南苕溪发源于临安天目山马尖岗(1 271m)南麓的水竹坞,流经桥东村、临安、青山水库、余杭至瓶窑汇合中苕溪、北苕溪后称东苕溪,再经德清汇合余英溪、埭溪至湖州杭长桥与西苕溪汇合,流入太湖。

东苕溪流域情况复杂,上游有大中型水库的拦蓄,中游有南、北滞洪区及一些非常滞洪区的调节,下游有导流港8座节制闸门控制,其中德清闸的启闭对瓶窑站水位影响较大。

2 瓶窑站和余杭站水位与流量关系分析

2.1 瓶窑站

2.1.1 大断面变化情况

1990年以来瓶窑站大断面的变化情况见图1。从图上可以看出,2002年以后的大断面与2000年大断面相比,大断面向右平移约5m。2002年至2006年大断面发生变化较小,基本重合。

图1 瓶窑站1990年以来实测河道大断面变化图

2.1.2 水位与流量关系变化分析

在现状工况下只有2007年“罗莎”台风形成的洪水水位较高,流量较大,2005年、2007年瓶窑站的水位与流量关系呈逆时针绳套关系,详见图2,表明瓶窑站的水位与流量关系与附加比降有关。选择瓶窑站1990年以来洪水,比较大的洪水发生年份有1996、1999、2001、2005和2007年,对照这5 a的实测流量资料 (起涨段)点绘成关系线,从1990年至2006年共建立高水相关线5条,每次洪水的关系线没有1次是完全一致的 (见图3)。经过分析,以德清站同时水位Zd为参数可以综合成3条关系线(见图4)。

图2 瓶窑站2005,2007年实测水位与流量关系图

图3 瓶窑站1990年以来较大洪水起涨段实测水位与流量关系图

图4 瓶窑站综合水位与流量关系图

2.2 余杭站

2.2.1 河道整治情况

东苕溪干流青山水库以下临安境内7.6 km河道已经全面扩宽,但余杭境内汪家埠—西门大桥段7.1 km河道尚未整治。

余杭通济桥河道扩宽工程已于2004年完成,通济桥在原3孔净宽39 m的基础上扩3孔净增33m;拆除阻水堰坝;在余杭镇区左岸通济桥上下游共969 m堤防退堤,最大退堤距离40m。目前该段河道底宽50 m,堤距85 m,左岸堤防20 a一遇标准,右岸堤防 (西险大塘)为100 a一遇标准。

2.2.2 大断面情况

余杭水文站所在大断面属于通济桥河道扩宽工程范围内,整治后河道大断面施测成果见图5。

图5 余杭站实测河道大断面图

2.2.3 水位与流量关系分析

余杭站一直以来是1个水位站,只有在来洪水时,进行临时测流,其资料没参加整编。1990年以来,发生比较大的洪 水有 “19960630”、 “19990630”、 “20010624”、“20050807” 和 “20071007”,这几次洪水中,只有1999和2001年有临时实测流量资料,实测点资料均在中水段,实测最大流量为299 m3/s,同时水位为7.56 m,其实测水位与流量关系曲线见图6。根据实测资料,结合原有的水位与流量关系,综合成1条关系线 (见图中综合线)。余杭站的水位流量关系(高水部分)经大洪水检验后再修正。

2.2.4 余杭水文站断面过流能力分析

图6 余杭站水位与流量关系曲线图

东苕溪防洪工程西险大塘宣杭铁路桥段拓宽工程和通济桥段退堤扩孔工程现已于2004年基本完成,青山水库下游14～15 km处过水断面面积增加0.6～1.5倍,余杭水文站断面的过流能力有所提高。现不考虑下游洪水的顶托影响和下游河道的过流能力,仅对该河段的过流能力进行水力学方法分析。

2.2.4.1 计算方法

(1)水面曲线法

天然河道的水流一般是非恒定非均匀流。但经验表明,天然河道水力要素随时间的变化是很缓慢的。因此,我们可以近似地认为天然河道的水流运动在一定时间内是恒定非均匀流,这种近似满足中小型天然河道规划设计阶段对水力计算的要求。

计算恒定流一般采用伯诺里方程,通过二分法试算求解,即:

式中:符号的下表1、2分别代表同一河段的下游断面和上游断面;hj为沿程水头损失;

hf=(V12/C12R1+V22/C22R2)Δ L/2;hj为局部水头损失,为局部阻力系数,对于收缩河段采用ζ=0,对于扩散河段,可以根据实际情况选取,如果出现2个试算水位均小于下游水位的情况,表示局部阻力系数选用不当,计算机将每次自动给此系数增加“-0.2”,再进行计算,直到得出合理结果。

(2)二分法原理

采用二分法试算求解,将伯诺里方程变为:

式中:H为上游断面的试算水位,则当Z≈0时,H即为其解。试算时,将H的范围取为高于河底而低于断面最高点,如果河水超过断面最高点时,断面需要加高。

二分法的具体作法是:先计算河道上半部分,即初设水位为断面最高点,得到 Z值,并令 Z0=Z,次设水位为河底与断面最高点之间的中点,又得Z值,用Z0×Z作判别式,如Z0×Z＜0,表示水面在此区间,如Z0×Z＞0,表示水面在另一区间,根据判别结果,对新区间继续二分和继续判别,逐步缩小搜索区,直至试算的2个水位差在允许误差范围内为止,从而得出该断面的水位值。

2.2.4.2 河道横断面计算

即计算过水面积A和湿周χ。计算方法为将过水断面分成若干梯形,分别计算每个梯形的面积和湿周后,叠加而成。

2.2.4.3 计算成果

根据上述方法推算余杭站段河道水位与流量关系见图7。

图7 余杭站推算的水位与流量关系图(不受下游顶托影响)

余杭站保证水位8.7 m(河道在保证水位时能安全宣泄的最大流量称为河道安全泄量),据此查算该河段的安全流量为960m3/s。

该法计算为不受下游顶托影响下的水位与关系曲线,当受下游中北苕溪来水影响时,视水量大小及下游河道行洪条件,安全流量实时变化。

3 结 语

东苕溪干流河道的水位与流量关系是多变的绳套关系,预报人员依据历史资料确立的水位～流量关系与综合关系线,分析本次洪水的实测流量点子,可以较准确地推断后面时段的水位～流量关系。经过多年水利工程的建设,河道的托宽和治理,对余杭和瓶窑的洪峰水位、洪峰流量和出现时间有一定的影响。通过对近几年瓶窑和余杭站的实测水位与流量关系分析,实际测到的河道过流能力和不考虑下游洪水顶托影响条件下计算的河道过流能力是不同的。