外洲水文站水位还现研究

刘 庆，钱 堃，李友辉，凌 哲

(1.江西省水利规划设计研究院有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029；3. 江苏省水利工程规划办公室，江苏 南京 210029)

赣江是鄱阳湖水系的第一大河，也是长江八大支流之一[1]。外洲水文站是赣江干流下游主要控制测站，具有从建站至今共60多年的水位、流量等观测资料。外洲站地处赣江尾闾河段，水位除受鄱阳湖水位顶托影响外，河道地形条件是另一个重要的影响因素。受河道采砂等因素的影响，赣江下游及尾闾河道自2002年以后逐年下切，且趋势明显，现状的河道条件与前期的河道条件差异较大。外洲站实测的水位数据与当年的河道地形是匹配的，因此，为使外洲站实测水位与现状河道地形相匹配，本文通过构建赣江尾闾一维树状河网计算模型对外洲站水位进行还现研究，将外洲水位还现到现状河道地形条件，为赣江下游水利工程的设计、施工及应用提供参考。

1 外洲水文站断面变化分析

将外洲站不同年份实测大断面数据点绘在同一张图上，如图1所示。从图中可知，赣江下游外洲站断面自2002年以后河道呈逐年下切趋势，趋势非常明显，但是2012年以后，随着上游来沙的相对平稳、对采砂的严格控制以及水文周期性的一般冲刷与回淤，河道的冲淤变化较为平缓和趋稳。因此，结合现有地形资料情况，本文将2013年的河道地形条件作为“现状”河道地形条件，将外洲水位还现到“现状”河道地形条件。

2 模型建立及计算

2.1 模型建立

根据河道地形及水流条件，对外洲以下赣江尾闾河段构建一维树状河网水利计算模型。

2.1.1计算原理及方程

河网水流运动基本方程采用圣维南方程组，它由连续方程和运动方程组成。

连续方程：

(1)

动力方程：

(2)

式中，x—距离，m；t—时间，s；A—过水断面积，m2；Q—断面流量，m3/s；Z—水位，m；α—动量修正系数；K—流量模数；qL—旁侧入流，m3/s，入流为正，出流为负；vx—入流沿水流方向的速度，m/s，若旁侧入流垂直于主流，则vx=0。

计算思路：先将各单一河道划分为若干个计算断面，在计算断面上对圣维南方程组进行有限差分运算，得到单一河道方程—即以各断面水位和流量为自变量的差分方程组，然后根据节点连接条件辅以边界条件形成封闭的各节点水位方程，求解此方程组得到各节点水位，再将各节点水位回代到单一河道方程，最终得到各单一河道各断面的水位及流量。采用的差分方法为四点线性隐式差分法，节点处满足的条件是能量守恒和质量守恒。

图1 外洲站不同时期实测大断面比较图

2.1.2模型研究范围

模型范围为：外洲水文站以下，赣江尾闾各支水位站(主支吴城站、南支滁槎站、中支楼前站、北支蒋埠站)以上区域。河道纵横断面资料采用2013年实测的纵横断面资料。

2.1.3边界条件

上边界为外洲站逐日平均流量，下边界为吴城、滁槎、楼前、蒋埠水位站逐日平均水位。由于尾闾测站水位与鄱阳湖水位的变化趋势基本一致，且考虑各支汊出口“门槛”河段对低枯水位的控制作用，河床高程对尾闾水位基本不起控制作用。

2.2 模型参数率定及验证

2.2.1模型糙率率定

天然河道的糙率与河道形态、床面粗糙程度、植被的生长状况、河道的弯曲情况以及水位高低等多种因素有关。因其复杂多变，在水面线计算中，可由实测水位、流量和断面资料对模型糙率进行率定。本文根据赣江尾闾各水文(位)站实测水文数据对尾闾河段综合糙率进行率定，并结合“天然河道糙率表”对尾闾河段综合糙率进行了适当修正，以此确定模型糙率。

2.2.2模型验证

赣江尾闾一维河网计算模型根据2013年外洲站实测水位过程进行验证。模型验证计算的边界条件为：外洲站2013年逐日平均流量；主支吴城站、南支滁槎站、中支楼前站、北支蒋埠站2013年逐日平均水位。通过模型计算，可求得外洲站2013年逐日平均水位，该计算值与2013年实测水位吻合较好，年均水位差值小于0.01m，没有系统偏差，符合数模计算的规范要求。

2.3 模型计算结果

通过模型计算得到外洲站的逐日平均水位，以此水位作为外洲还现后的水位。外洲站实测、还现水位成果分别见表1—2，还现水位与实测水位差值情况见表3，差值变化情况如图2所示。

表1 外洲站历年实测月均水位成果表(水位高程黄海 ) 单位：m

表2 外洲站还现后月均水位成果表(水位高程黄海 ) 单位：m

表3 外洲还现水位与实测水位差值成果表(水位高程黄海) 单位：m

图2 外洲历年还现水位差值及年均流量变化图

通过以上计算结果可知，外洲站还现后多年平均水位为14.07m，较实测多年平均水位15.52m，降低了1.45m。由图2可知，20世纪90年代以前，外洲站还现前、后年均水位差值年际变化剧烈，这与年来水量关系密切，表现为年均流量较大时，还现前后差值小，年均流量小时还现前后差值大；1992年以后至2013年还现水位差值基本上呈逐渐减少的趋势；至2013年后还现前后水位差值基本保持稳定，这是因为近几年尾闾河道冲淤变化较为平缓和趋稳。横向来看，枯水期还现水位差值较大，而汛期还现水位差值较小，还现后月均水位变化与月均径流变化趋势基本一致。

3 结论

(1)赣江下游及尾闾河道自2002年以后逐年下切，且趋势明显，现状的河道条件与前期的河道条件差异较大，外洲站实测水位与现状河道地形条件不匹配。

(2)通过构建赣江尾闾一维树状河网计算模型对外洲站水位进行还现研究，研究发现外洲站还现后多年平均水位较实测降低了1.45m，本次研究成果对赣江下游水利工程的设计、施工具有一定的参考意义。