二维水动力学模型在水文站站址选择中的应用

宋 雄，马 黎，赵 乔，李大成，李 悦

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

河道流量记录提供了河川径流时间和空间上的分布情况，可为水资源管理、工程设计与运行及抗灾减灾等提供基础的数据支撑。河道流量数据的监测需要设置水文站点，如今大江大河上的水文站网已完善，但中小河流及特定工程的专用水文监测站点建设需求仍然存在。特别是，水情自动测报系统遥测站网的建设一直在完善当中。

水文站点是否能准确记录所在断面的流量数据意义重大。对于水资源管理，它积累基础的河川径流数据，为水资源管理提供依据；对于工程设计，它提供基础的水文资料，直接关系到工程设计规模；对于工程施工，它可以提供一手的水文资料，对防洪度汛不可或缺。而水文站站址的选择直接关系到河道流量数据的监测精度，这主要是因为水文站点能够获取到的河道径流最直观的信息是水位，水文站主要通过流量数据巡测，拟定站址水位流量关系，并通过水位间接推求河道的流量数据。

以往水文监测站点选址和优化研究主要考虑站点的空间布局合理性、监测要素代表性、建设经济性和水利工程适应性[1-7]，研究的重心侧重于区域站网布设的优化；但对于具体站点站址断面选择的方法研究论述较少。世界气象组织(WMO)在河道流量监测手册[8]中给出了水文站站址断面选择的12条原则，不少研究[9-14]也是基于此类原则探讨了水文站具体选址中应当注意的问题。如，梁鑫与邓懿[9]进一步提出“水文站断面选址时应尽量选择附近有桥梁的地方便于无缆道情况下的河道测流”，但上述文献所述内容均为定性指导原则，实际站点选择当中不宜把握尺度，很难对所选站址断面的优劣做出直观判断。

本文针对传统水文站站址选择方法的缺陷，首次提出了结合二维水动力学模型进行水文站站址选择的方法，具有指导水文站站址选择的实际意义，可以更为直观地判断所选站址断面的优劣，避免水文站站址的反复迁移。

1 研究区域

本文选取坦桑尼亚Rufiji河Stigler峡谷河段作为水文站站址选择的研究河段。目前，坦桑尼亚政府正在该河段兴建朱利叶斯·尼雷尔水电站，研究河段水文测站的建设可以为设计施工提供一手河流水文观测资料。水文站站址需尽量靠近发电厂房尾水，同时需要避开施工影响区域；根据河道自然形态，河道在经过下游永久桥后向东南方向转弯。因此，水文站站址断面拟在厂房至永久桥下下游河段之间选取。

Rufiji河是坦桑尼亚境内最大的河流，Stigler峡谷位于Rufiji河下游，峡谷河段以上流域集水面积158 200 km2，多年平均流量896 m3/s，实测最大流量为13 212 m3/s。

2 方法与数据

2.1 二维水动力学模型

水动力学模型的基本原理：基于描述水流运动的基本方程，利用有限差分、有限元等方法对方程进行离散化处理，最后借助计算机技术进行求解。目前，水动力学模型软件已经相当成熟。如，丹麦水力研究所(DHI)的MIKE系列、荷兰的三角洲研究院(Deltares)的Delft3D、美国地质调查局(USGS)的MD_SWMS、美国陆军工程师兵团水力工程中心(HEC)的HEC-RAS软件。这些软件已在全球范围得到广泛的应用。

Alvarez等[15]利用MD_SWMS软件对Trinity河的研究河段进行了水动力学模拟，水深及流速模拟成果为河流生态修复计划提供了重要依据；王春宇[16]基于二维水动力学模型模拟了辽宁不同类型河段的水流流态分布，模拟成果表明二维水动力学模型可较好地模拟不同河流流态分布；徐云乾等[17]基于HEC-RAS进行了二维溃坝洪水模拟，并绘制出洪水风险图、最大水流流速图；王丽杰[18]基于二维水动力学模型，分析了不同数量桥梁方案下河道水位、流速与局部流场的变化对河道的影响。

上述研究表明，二维水动力模型可较好模拟研究河段水流的流态，并能绘制出河段的水深分布图、流速分布图等，可为水文站站址断面选择提供直观的依据。水文站站址断面选择时，可依据二维水动力学模型成果避开回水影响区、水流流态紊乱区，选择出较为合理的站址横断面。

2.2 基础数据准备

二维水动力模型的基础数据包括地形数据、入流量过程等。

(1)地形数据。采用研究河段1∶500实测点云数据，后处理成DEM文件，供二维水动力学模型软件使用。

(2)入流量过程。采用研究河段10年一遇设计洪水过程作为模型入流过程，入流过程见图2，本次采用设计入流过程涨水段与退水段形状一致，旨在研究河段的槽蓄作用对洪水过程的影响。

3 建模过程

3.1 计算网格划分

研究河段主河道平均宽度在200 m左右，二维水动力学划分计算网格时，一方面要考虑计算网格要能反应地形变化，特别是水力坡度发生较大变化的区域需要加密网格；另一方面，也要考虑模型的计算效率，网格过密会导致计算速度极慢。事实上，二维水动力学模型在进行水流计算时，每个网络会充分考虑其下的地形，1个计算网格相当于1个小的槽蓄水库。经综合分析，本文计算网格取10 m，并在河道中心线及关注的水文站站址比选断面处设置断裂线，加密计算网格，使计算网格尽量与水流方向一致，划分好的计算网格如图3。图3中所求1号～7号断面为根据河段地形形态拟进行比选的水文站站址位置。其中，1号断面处建有过河永久桥梁，桥梁断面形态如图4所示。由图4可见，有桥墩侵占主河道。

3.2 设定边界条件

二维水动力学模型的边界条件通常为上下游开边界以及二维模拟区域糙率，上游开边界条件直接采用入流过程，下游边界条件采用正常水深，二维模拟区域采用综合糙率，取0.06。一些二维模型软件还可考虑下垫面情况，制作糙率下垫面文件导入模型。

3.3 设定计算时间步长

二维水动力学模型进行模拟计算时，需要设定模型的计算步长。计算步长的选定，一方面要考虑计算效率；一方面又要考虑模型正常计算的最短步长，可参考Courant数的计算原理进行选取。经综合分析，本文取10 s作为模型的计算时间步长。

4 水文站站址确定

4.1 初步轴线确定

根据工程设计、施工需要，结合研究河段形状，共选取1号～7号断面作为本文研究比选的水文站站址初步轴线，见图3。

4.2 二维模型计算结果

(1)流量过程。本次研究河段长约2 km，各比选断面流量过程见图5。由图5可知，研究河段上下游流量过程差异并不明显。单独对比最下游1号断面与最上游7号断面的流量过程可知，河段虽有一定槽蓄作用，但并不显著。这说明研究河段的水力控制特性较好，洪水过程在此区间并未发生较大坦化(见图6)。因此，从洪峰流量来说，此区间各处位置设站监测的流量差异不会很大，均能较好地反映厂房尾水处的流量。

(2)水位流量关系。水文站站址选择时，应尽量避开回水影响区，以使所选断面水位流量关系尽量接近单一线，避免出线显著的绳套效应，以便通过水位直接换算成流量。由于河道形状影响，天然河段亦会出现回水影响效应，点绘研究河段各比选断面的水位流量关系(见图7)。由图7可知，各断面水位流量关系绳套效应均不明显，最上游靠近厂房的7号断面在低水时水位流量关系较为发散；采用7号断面作为水文站站址断面可能影响低水流量的分析精度，其余断面绳套效应均不显著，满足设站要求；桥梁下游断面水位流量关系最为平滑，受桥墩壅水影响最小。

4.3 站址确定

从二维水力学模型各断面流量过程及水位流量关系来看，7号断面不宜作为站址断面，其余断面水位流量关系均未出现显著绳套效应。特别是1号桥梁下游面断面水位流量关系最为平滑，目前看其最适宜选作站址断面，但仍需做进一步分析。

(1)水深分布。研究区域的水深分布见图 8。由图8可知，1号桥梁上游河段主河槽均较深，可满足诸如压力式水位计的测量要求。

(2)流速分布。水文站站址断面所处河段在大水时流速不宜过急，流速过急会导致高水测流困难，分析研究河段流速分布(见图9)可知，1号桥梁所在断面在高水时受桥墩阻水影响，流速最大，局部流速高达15 m/s(流量约9 400 m3/s)，6号断面受河道坡降影响流速次之，其余断面流速较缓，4号断面由于河段“鱼肚效益”形成局部水塘，流速最缓，从流速分布来说，桥址断面及6号断面不宜作为水文站站址断面。

(3)水流方向。水文站站址选择时，还应考虑所在断面的水流方向，所选断面处的水流方向应尽量平行分布，水流方向过于散乱也不利于流量施测。由图10可知，2号、5号断面处流速较为散乱，受限于河道形状，流线并不平顺，相较之下，3号断面处水流流线最为平顺，最适宜作为站址断面。

(4)水流剪应力。水流剪应力大的河段，河道容易发生冲淤，水文站站址选择的时候应该尽量避开，从研究河段水流剪应力分布图(见图11)来看，1号桥梁断面下游河段水流剪应力最大，6号、7号断面次之，其余断面处水流剪应力接近。

综上所述，无论是从水深、流速分布、水流方向还是水流剪应力来说，3号断面均为最佳的水文站站址断面。

5 结论与讨论

本文分析了传统水文站站址断面的选择方法，率先提出了结合二维水动力学模型进行水文站站址选择的方法，并以坦桑尼亚Stigler峡谷河段水文站选址为例进行了二维水动力学模拟，通过综合分析研究河段的水深、流速、流向及剪应力分布场，最终推荐了水文站站址断面。该方法在实际操作中更为直观，指导性更强，可为水文站选址提供更好依据。特别是对于支流测站站址选择更具参考意义。水文站站址选择时，一方面支流测站应该尽量靠近汇合口，以观测全支流来流量；另一方面又要尽量远离汇口的水力顶拖影响区域。二维水动力学模型模拟成果可为此类河段站址选择提供很好的选址依据。