汉江下游沙洋至汉口河段槽蓄量计算分析

陈望春 郑 静 张 涛 陈瑜彬(.浙江省宁波市水文站，浙江 宁波 3500；.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 43000)

汉江下游沙洋至汉口河段槽蓄量计算分析

陈望春1郑 静2张 涛2陈瑜彬2(1.浙江省宁波市水文站，浙江 宁波 315020；2.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

分别采用断面法和DEM方法推求汉江下游沙洋至河口河段河道槽蓄量，并对两种计算方法的结果进行了对比分析，认为DEM方法更优。在此基础上，选取1983～2010年23场洪水不同时刻汉江下游重要水文站(水位站)实测水面线资料，基于2005年实测河道地形数据，采用DEM方法进行河段槽蓄量计算，分析比较历史洪水不同水面线下河段槽蓄量变化，得到3点初步认识，可为汉江中下游防洪和应急调度工作提供参考。

断面法；DEM法；槽蓄量计算；槽蓄关系；汉江下游

槽蓄量计算是河道演变分析、流域开发、防洪调度及河道治理的一项重要工作[1]。汉江中下游地区是汉江防洪的重点，也是长江中下游防洪重点区之一，区内分蓄洪工程在汉江以及长江的防洪工作中承担着重要任务[2]。分析区内河道槽蓄关系，摸清各重要河段过流能力，掌握河道安全泄量，有利于合理安排分蓄洪工作，降低洪水风险，保障人民生命财产安全，减少洪水灾害带来的损失。本文采用DEM方法，基于2005年实测河道地形数据，分析比较1998～2010年典型洪水不同水面线下河段槽蓄量变化，以期为汉江中下游的防洪调度提供参考。

1 研究区概况及资料来源

1.1 研究区概况

本文选取沙洋至汉江河口河段为研究河段，自上游向下游共分为沙洋-东荆河分流口、东荆河分流口-仙桃、仙桃-汉川、汉川-汉江河口4个河段，是汉江中下游防洪的重点河段。全河段及沙洋站附近建有东荆河、大柴湖、邓家湖、小江湖等14个临时分蓄洪民垸和杜家台分洪闸等分蓄洪工程。沙洋至汉江河口河段位置如图1所示。

图1 沙洋至汉江河口河段位置示意

1.2 资料来源

河道断面资料为汉江沙洋至汉江河口河段1∶10 000河道地形图(2005年测绘)，共150张。沙洋至汉江河口河段全长282.1 km，按照《2005年汉江中下游河道地形观测技术大纲》的规定，全河段共布置259个观测断面，平均断面密度为0.82～1.09个/km。

为了确保数据质量，本文基于ArcGIS平台对收集到的河道地形图进行了拼接、等高线闭合查错修改、实测点与控制点高程查错检查以及河堤线界定等处理工作。通过图形配准、矢量化、接边处理、属性编辑和高程修正，最后得到适合DEM方法计算河道槽蓄量的基础数据。

2 计算方法

2.1 断面法

断面法据河道水下实测地形切割断面，按几何方法直接计算河道泥沙的冲淤体积，即由某一水位Zi下的上下断面过水面积Ai、Ai+1计算断面间相应水位下的河道槽蓄量[3]

(1)

式中Li为断面间距，m；Ai、Ai+1分别为上下断面面积，m2。

整个河段槽蓄量则为

V=∑Vi

(2)

近年来，一些水力学模型的出现，如Mike-11和SMS(Surface-water Modeling System)等，为河道槽蓄量的计算提供了便利。本文在Mike-11水力学模型环境下，利用已建立的汉江中下游丹江口至汉江河口河段水力学模型，通过对各河段不同水面线下棱柱体水量计算，求得各河段断面水位与河段槽蓄量的关系。

2.2 DEM法

DEM(数字高程模型)是地形表面的一种数学(或数字)模型。对地形表面进行表达的各种处理可称为表面重建或表面建模，重建的表面通常可认为是DEM表面。

采用DEM方法计算槽蓄量主要是利用ArcGIS中的3D分析工具(Cut fill)进行计算。主要过程包括河道地形矢量化、河道三维表面生成以及槽蓄量计算[4～5]。

(1) 河道地形矢量化。利用河道地形实测资料,对地形图中高程点、等高线、坎线、堤线进行矢量化，并进行图形配准、接边处理、属性编辑以及高程修正, 将各矢量化图形要素分别转换为独立的ArcGIS 可读取的图层文件。

(2) 河道三维表面生成。基于矢量化的河道地图层文件，采用ArcGIS 软件提供的三维分析工具“Create TIN From Feature”创建河道三维表面，并存储或转换为TIN(不规则三角网) 和Lattice(栅格)两种数据格式文件，供槽蓄量计算所用。

(3) 槽蓄量计算。根据所创建河道三维表面，调用ArcGIS 软件提供的三维分析工具“Cut Fill”实现河道槽蓄量计算。其中，Cut Fill可实现对由两个Lattice(原始表面和变化后的表面)表达的区域计算变化的面积和体积。本文利用自编二次开发程序完成DEM法量取河段槽蓄曲线关系成果。

2.3 槽蓄量计算结果对比分析

两种方法计算的各河段槽蓄曲线见图2。

沙洋至东荆河分流口河段由于滩地地形沿程的变化、起伏较大，弯道甚多，切割断面较少(0.88个/km)，断面的代表性降低，故断面法计算结果的精度下降，计算结果普遍偏小。由图2(a)可知，与DEM方法相比，断面法求得的槽蓄量最大偏小3.17亿m3，误差较大。东荆河分流口至仙桃河段和仙桃至汉川河段，由于汉江河道越向下游河道越束窄，断面法计算结果比DEM方法的计算结果偏小1.116亿～0.376亿m3，偏离程度逐步降低(见图2(b)和图2(c))。汉江下游汉川至汉江河口河段由于河床较为顺直(与整个河段相比)，沿程变化较为均匀，切割断面的代表性强，两种方法比较蓄量最大差距降至0.0577亿m3以下，其计算结果较为一致(图2(d))。

图2 汉江中下游各河段槽蓄曲线

断面法利用切割的断面进行水量计算，只利用了部分断面信息，而基于GIS的计算方法则是利用河道三维表面进行计算，利用了整个地形图的全部地形信息。与DEM方法相比，断面法中断面与断面间距的选择有时缺乏代表性，对一些冲淤变化极其剧烈的局部河段，尤其对于蜿蜒性或分汊性河道(如沙洋-东荆河分流口河段)，断面的选择和切取断面的疏密对计算精度起着决定性作用，但是由于工作量的限制，切取断面往往很难达到足够高的精度。而基于DEM的冲淤计算方法，数据采集的精度和对测图的利用效率远高于断面地形法，具有强大的三维表达和空间分析能力，且整个计算过程(包括地图数字化、三维表面生成及槽蓄量计算分析)可在一个系统内完成，工作效率大大提高。

经过上述分析比较，认为采用DEM法计算河槽蓄量更为准确，因此本文选取DEM法对洪水期研究河段的槽蓄量变化进行分析。

表1 典型洪水沙洋至汉江河口河段槽蓄量增量统计

3 典型洪水河段槽蓄量计算

为分析洪水期河段槽蓄量变化，选取1983～2010年23场洪水不同时刻汉江中下游沙洋、泽口、东荆河分流口、岳口、仙桃、汉川、新沟、汉口水文站(水位站)实测水面线资料，基于2005年实测河道地形资料，进行河段槽蓄量计算，以分析比较不同水面线下河段槽蓄量变化，典型洪水包括1983，1984，1998，2003，2005年以及2010年大洪水资料。

在每场洪水中选取起涨时刻、洪峰时刻和结束时刻的实测水面线。起涨时刻选取沙洋站水位开始起涨时水面线资料。洪峰时刻选取汉江下游控制站仙桃站出现洪峰水位时水面线资料(连续洪水是仙桃站水位峰谷相位皆选)。结束时刻选取沙洋至汉江河口段干流水位退至稳定，全线流量很小时的水面线。槽蓄量计算采用DEM方法，典型洪水沙洋至汉江河口河段槽蓄量增量见表1。

4 结 论

通过对典型洪水不同时刻水面线下汉江沙洋至汉江河口槽蓄量统计值的计算分析，得到以下3点初步认识。

(1) 当沙洋以下河段处于起涨前流量很小稳定流状态，汉口同时水位在16.8～22.6 m较低水位时，汉江沙洋至汉江河口河段初始槽蓄量在7.07亿～7.57亿m3左右。

(2) 1983年10月、2003年9月和2005年10月汉江洪水，沙洋站洪峰流量分别为21 600，13 700 m3/s和14 000 m3/s,从沙洋水位起涨至仙桃站出现洪峰水位时，沙洋至汉江河口河段槽蓄量增量(反映整个河段调蓄能力)分别为16.0亿，14.53亿m3和13.55亿m3。以上3场洪水，当时汉口水位均低于25.0 m。1983年10月上游来水数量级最大，仙桃现峰时河段槽蓄量也最大，达到 26.98亿m3；2005年10月洪水，仙桃现峰时汉口同时水位较低，在21.92 m左右，仙桃至汉江河口水面比降比2003年9月洪水大，仙桃现峰时河段槽蓄量比2003年9月洪水小1亿m3左右(见表1)。

(3) 1983年7月洪水、1998年8月洪水和2010年7月洪水，由于起涨时刻汉口水位均在26.5 m以上，仙桃以下河段水位受汉口水位壅水影响越向下游越重，起涨时刻整个河段初始槽蓄量达11亿～12亿m3，河道底水量大，当仙桃出现洪峰时河道调蓄能力较汉口水位低时要小；类如1998年7月中旬至8月，随着汉口水位不断攀升，当汉江沙洋以上出现连续洪水时，每次洪水槽蓄量增量越来越小，河段调蓄能力逐步减弱。

[1] 陈立,明宗富. 河流动力学[M].武汉：武汉大学出版社，2011.

[2] 长江水利委员会水文局. 长江流域洪水预报方案汇编(第三册)汉江流域[R].武汉：长江水利委员会水文局，2005.

[3] 王强. GIS在河道冲淤及河床演变分析中的应用[D].武汉：武汉大学, 2004.

[4] 肖志远,郭海晋,徐德龙，等. 城陵矶至螺山河段槽蓄量及冲淤变化计算[J].人民长江，2003(1).

[5] 胡红兵,胡光道. 基于DEM的河道演变可视化表达和定量分析[J].长江科学院院报，2008(4).

(编辑：陈紫薇)

1006-0081(2017)01-0041-04

2016-05-30

陈望春，男，浙江省宁波市水文站，高级工程师.

陈瑜彬,男，长江水利委员会水文局，高级工程师。E-mail:chenby@cjh.com.cn.

P228.4

A