水力学耦合水文学模型在沮漳河河溶水文站洪水水位预报的应用研究

2020-07-09李永凯

水资源开发与管理 2020年6期

李永凯王拓肖晒

(1.宜昌市水文与水资源勘测局，湖北宜昌 443003；2.三峡大学水利与环境学院，湖北宜昌 443003)

沮漳河位于长江中游荆江河段，洪水频发，防洪问题未得到根本性解决。近年来，尤其是2007年、2008年汛期，沮漳河两河口频频出现高水位，对河溶镇及中下游近30万人的生命财产构成威胁。因此，有必要对沮漳河河溶站的防洪能力进行研究。

河段洪水预报主要是通过河流上断面的入流来预报一定时间(预见期)后下断面的出流。目前，我国主流河段洪水预报方法多为流量演算法和相应水位法。

流量演算法是根据蓄泄关系以及水量平衡原理，研究河段水量与能量规律，对河段非恒定流提出的一种近似求解方法。从20世纪60年代起，我国水文学家就对其进行了比较深入的讨论和研究，研究的重点主要是马斯京根法参数的估计[1]。相应水位(流量)法是通过建立水位经验关系，用上断面水位来预报下断面水位的方法[2]，是目前我国水位预报普遍应用的方法之一。

河溶站水位变化受上游来水影响，还受下游长江回水顶托影响明显。回水顶托是洪水在自上而下的传播过程中，遇到某种障碍后向上游反流的一种水文现象，多出现在平原河道、感潮河道或有闸坝控制的河道中。变动回水对预报断面下游水位产生影响，进而导致预报断面水位误差变大，水位流量关系混乱。

因此，为提高河溶水文站洪水预报精度，本文提出建立变糙率水力学模型来进行河溶站洪水水位预报。

1 技术路线

河溶水文站洪水预报方法先采用降雨径流模型预报洪峰流量，然后采用水力学模型推算相应流量下的洪峰水位。

降雨径流模型采用API模型，水力学模型采用一维水动力学模型，水力学模型采用HEC-RAS软件进行建模计算。为了建立计算模型，需要建立准确的河道地形模型，本文采用Civil3D软件进行河道建模。为了得到更加精确的预报结果，一维水动力学模型中最重要的就是糙率参数的选取，本文采用变糙率方法进行糙率参数的选取。

本文采用API模型进行沮漳河河溶水文站流量预报，选取河溶站1998—2016年共19年31场洪水样本数据资料进行参数率定和预报精度评定，洪峰流量预报精度为80.64%，满足预报要求。

河溶水文站目前洪峰水位预报使用的方法不够成熟，因此本文尝试采用水力学模型进行预报。预报原理采用洪峰流量来推算洪峰水位，以河溶水文站预报流量及下游断面的预报水位或稳定江河水位作为边界条件，使用HEC-RAS程序逐段试算法推求沿程水位。

糙率是衡量河床粗糙程度以及对水流阻力的关键系数，因断面规则程度、水生植物类型以及水流流态等众多因素的不同而不同。河道糙率选取在HEC-RAS程序逐段试算法中的影响重大，但糙率是一个间接值不能直接求得，因此，糙率的优化率定也成为洪水水位预报面临的问题之一[3-6]。

本文常糙率水力学模型中糙率率定方法为：分析历年来沮漳河和长江的实际洪水情况，对当前流量级下的河段进行恒定非均匀流的糙率率定，若得到的洪峰水位的预报误差在合理范围内，将此糙率视为当前河段常糙率，否则需对计算值进行调试并重复上述步骤，直到满足预报要求。

作为对比，本文建立了变糙率水力学模型。变糙率水力学模型中糙率率定引入流量与糙率函数关系，针对不同的流量级，根据历史洪水过程来率定糙率关系式。

(1)

式中：nr为糙率初始参照值;xi、yi为常数，根据各流量级历史洪水资料率定;q为流量;Q1、Q2为流量级上下限。

2 实例分析

河溶水文站汛期受长江水位顶托影响，流域水情条件复杂，常规的水文学方法进行水位预报精度不够。因此，本文采用水力学模型进行洪峰水位预报[7]。预报流程是首先利用API模型进行流量预报，然后采用水力学方法推算河溶站水位。本文以同时刻河溶站洪峰流量及下游长江水位作为边界条件推求水面线。计算范围从河溶站到鸭子口河段，长约6.5km，共布置了43个断面，详见图1。

图1 沮漳河断面布置

采用Civil3D软件中的建模功能来模拟HEC-RAS的河道建模[8]。在利用Civil3D软件进行建模前，需要准备相应河道的地形点文件或者三角网文件，在地形图上确认断面位置、河道中心线以及河道范围。

a.在Civil3D软件中，导入河道的地形点文件，生成模拟河道的地形曲面，见图2。

图2 河道地形曲面

b.使用路线创建功能模拟创建河道，选择河道中心线，并确定上下游方向，生成桩号以确定断面位置，见图3。

图3 生成带桩号的路线

c.以路线建立横断面的“采样线编组”，见图4。

图4 横断面

d.设置河道左右岸，绘制河道范围以确定岸边距。

e.导出GIS数据(*.geo)，输入到HEC-RAS程序中，以实现河道的快速建模。

在建模完成后，本文采用HEC-RAS软件推算相应洪峰流量下河溶站洪峰流量，水力学推算涉及下游水位边界条件和河道糙率选取。

长江位于研究河道的下游，水量巨大，沮漳河来水基本不会对其水位造成影响，且长江沙市水文站-枝城水文站水位关系良好。因此将沙市水文站、枝城水文站两断面水位进行插补得到的插补水位作为HEC-RAS软件计算下游边界条件。由于长江水位在短时内变幅不大，且经资料分析较小变幅的长江水位对上游河溶断面水位影响很小，因此本文假定较小变幅的长江水位对上游河溶断面水位影响很小。

因此考虑到预报预见期，下游边界条件长江水位的选取分为两种：ⓐ因三峡水库的调度，在长江沙市水文站水位变化不大时，采用当前长江沙市、枝城水文站水位代替未来12h后的长江沙市、枝城水文站水位；ⓑ当长江水位变化较大时，采用长江沙市、枝城水文站的预报水位。

采用2003年7月5日6时河溶站洪峰流量475m3/s作为计算值，同时刻下游长江水位46.24m作为边界条件，采用常糙率推求河溶站水面线，得到河溶站预报水位为45.53m，见图5。与河溶站实测值44.88m对比，可见预报精度一般。为进一步提高洪水预报的精度，采用变糙率模型进行水面线的推算。

本文采用沮漳河2016年7—8月发生的3场洪水过程的实测资料，以变糙率模型进行率定。通过试算，本文常糙率采用的数值为0.035。

图5 河溶站预报水位

当流量小于500m3/s时，糙率取0.038，xi为3.15，yi为3.40，得到此流量级下的最优糙率关系式为

n=1.08nr(q<500m3/s)

(2)

当流量为500～1000m3/s时，糙率取0.043，xi为6.73，yi为8.61，得到此流量级下的最优糙率关系式为

n=1.28nr(500m3/s

(3)

当流量大于1000m3/s时，糙率取0.051，xi为7.76，yi为11.31，得到此流量级下的最优糙率关系式为

n=1.45nr(q>1000m3/s)

(4)

为了便于分析对比计算值与实测值之间的差值，将数据分为3段，第一段为7月1日12时至7月2日17时的数据；第二段为7月19日12时至7月21日14时的数据；第三段为8月4日16时至8月6日18时的数据。具体见图6。

图6 计算实测对比

2003年7月、2004年8月发生的2场洪水过程的洪水水位预报的常、变糙率计算值与实测值对比见图7、图8。

对2场洪水水位预报进行误差分析得出以下结论：采用常糙率模型进行河溶站洪水水位预报时，预报值与实测值误差小于0.3m的比例为38.7%；误差小于0.4m的比例为49.8%；误差小于0.5m的比例为65.5%。采用变糙率模型进行河溶站洪水水位预报时，预报值与实测值误差小于0.3m的比例为49.7%；误差小于0.4m的比例为71.1%；误差小于0.5m的比例为84.2%。由此可见，在河溶站洪水水位预报的合格率中变糙率模型要高于常糙率模型，预报结果更为合理。