泗河水面线计算方法探析

巩富烨，张 涛

（1.武城县水利局，山东 武城 253300；2.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250014）

1 河道基本情况

河道水位是反映洪水流量的直接表征因素，水位过高将导致洪水漫溢或溃堤等风险事件发生，不同的水面线计算方法存在一定差异[1，2]。以泗河为例，采用非恒定流法计算河道水面线，通过场次洪水进行模型验证；并与传统的恒定流法进行对比分析。

泗河属沂沭泗水系，发源于新泰市太平顶山西，流经泗水、曲阜、兖州、邹城、微山，于任城区辛闸村入南阳湖。泗河全长159 km，流域面积2 357 km2。上游有大、中型水库 5 座，小（一）水库23 座，小（二）型水库 178 座，塘坝 758 座；共有支流30 余条，流域面积100 km2以上的5 条。泗河属于山丘河道，河道弯曲多变，洪涝灾害发生频繁，洪水漫溢决口事件风险较大。

2 泗河水面线计算

2.1 基于非恒定流的一维水动力计算模型

河道水面线采用MIKE11 模型按非恒定流水力法计算[3，4]。该模型基于圣维南方程求解，其连续方程按照质量守恒原理，运动方程按照动量守恒原理，计算公式分别为：

式中：A 为河道过水面积；Q 为流量；u 为侧向流在河道方向的流速；t 为时间；x 为沿水流方向的水平坐标；q 为河道的侧向流量；α 为动量修正系数；g 为重力加速度；y 为水位；Sf为摩阻坡降。

闸坝过水建筑物、主要阻水道路采用堰流公式[2]计算：

式中：m 为考虑侧向收缩的流量系数；σ 为淹没系数；B 为堰顶宽度；H 为包括行近流速的堰前水头。

2.2 边界条件

1）起始水位。按防洪不利情况考虑，河道的湖口起始水位按照南四湖相应工况下的设计水位确定。湖口设计水位20 年一遇、50 年一遇水位分别为36.29 m、36.79 m。

2）断面及阻水建筑物。河道洪水的计算断面间距与河宽相匹配，河道断面间距200 m～300 m，河道平均比降基本为1/2 000。阻水建筑物包括闸、桥等，建筑物均按敞泄控制，考虑主要建筑物的阻水作用。沿程设置水闸9 座、桥梁6 座等建筑物，桥梁阻水高度为1～2 cm，水闸阻水高度为10～20 cm。

2.3 模型验证

1）糙率拟定。对模型精度影响较大的参数是河道糙率值[2，3]。泗河为山区河道，滩地行洪断面较大，本次泗河采用分段整体糙率，其中，桩号0+000～35+000 段槽糙率 0.038，35+000～40+000 段糙率 0.039，40+000～128+772 段糙率 0.041。

2）实测洪水模型验证。结合河道治理断面资料，根据河道下垫面及暴雨洪水量级发生情况，本次率定选取书院站（65+500）2001 年 8 月 3 日～6 日实测洪水、2007 年 8 月 15 日～23 日实测洪水进行参数率定、验证。根据拟定的糙率参数、建筑物布置、实测洪水进行水位模拟，泗河书院站实测与模拟水位对照详见图1、图2。

图1 书院站20010804 号洪水实测-模拟水位对照

图2 书院站20070817 号洪水实测-模拟水位对照

3）参数率定结果分析。书院站20010804 号洪水、20070817 号洪水的实测洪峰分别为916 m3/s、1 070 m3/s；实测水位分别为 66.73 m、66.93 m，模型模拟水位分别为66.75 m、66.84 m。通过上述2场实测洪水模拟结果可以看出，在洪水大流量、高水位阶段，模拟水位与实测水位吻合较好，误差控制在0.2 m 之内；在洪水初期起涨阶段以及洪水结束阶段，水位差异较大，与实时闸坝调度方式、模型精度等因素有关。本次洪水计算重点关注洪水大流量事件，因此，采用的糙率参数是合理的。

2.4 设计水面线对比

根据泗河设计洪水成果，应用MIKE11 软件采用非恒定流法计算河道水面线，并与原设计水面线成果进行比较分析。泗河50 年、20 年一遇设计洪水典型断面流量详见表1。

表1 泗河设计洪水成果表

1）原设计洪水成果。原河道水面线0+000～70+000 段按天然河道恒定流法公式计算，考虑建筑物的挡水作用，设计水面线详见图3、图4。

图3 泗河50 年一遇水位对照

图4 泗河20 年一遇水位对照

2）基于非恒定流法的50 年、20 年一遇水位推算结果。采用MIKE11 按照原设计洪水推求50年、20 年一遇水位，计算结果详见图3、图4。

3）结果分析。对泗河50 年一遇、20 年一遇设计水面线成果进行分析，本次模拟成果与原设计成果总体吻合较好；局部差异比较大，两种频率的水位平均误差分别为6 cm、7 cm。差异主要来自于：

（1）泗河为山区河道，河道坡降较大，水面线较陡，阻水建筑物处理及局部河道断面处理有一定的差异。

（2）计算程序的差异，原设计中采用天然河道水面线推算公式计算；MIKE11 采用圣维南方程计算，包括水流连续方程及能量方程，参数设置更为全面[4，5]。

3 结 语

泗河为低山丘陵型河道，受流域自然地理及气候等影响，汛期暴雨降雨强度大，上游洪水暴涨暴落，容易造成洪涝灾害。经过对实测场次洪水参数验证，非恒定流法能满足水面线计算精度要求；与传统恒定流法计算的水面线结果基本一致。非恒定流计算的水面线能反映洪水流量过程变化引起的水位变化，能较好的反映洪水的起涨过程，更符合实际的洪水演进规律。