遼河流域河道洪水演進模擬研究

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

遼河流域位于我國東北部，多年平均年降水量在520～860mm之間，主要集中在每年的6—9月份并且占全年的65%以上，流經量在時空上的分布以西部區(qū)域為主；不同區(qū)域的地勢結構存在一定差異，整體呈現(xiàn)出東南高、西北低的變化趨勢，高差處于216～840m范圍。流域范圍內大小支流縱橫，降雨在時空分布上極不均衡，暴雨或強降雨較多，并且主要集中在汛期。據不完全統(tǒng)計，該流域每3年左右就會發(fā)生一次一般洪水，每隔7～8年的時間就會出現(xiàn)一次較大洪水。河道行洪排澇受上下游水位及主要支流狀況影響較為顯著，水位變化關系復雜。對河道匯流參數(shù)利用歷史水文資料進行率定的傳統(tǒng)水文學法，往往難以客觀反映河道匯流變化規(guī)律和斷面形狀，在洪水預報中容易造成洪峰時間與洪峰量等要素的模擬與實際狀況存在較大的偏差，并對防汛工作產生不利影響[1-6]。

據此，本文對遼河流域中下游洪水演進利用EasyRiv1D模型進行模擬分析。該模型能夠綜合考慮河道斷面形成、水工構筑物調度規(guī)則以及河流汊點等因素，系統(tǒng)、定量地認識與把握河網洪水演進過程，揭示河道匯流與河道斷面變化規(guī)律。本文成果可為政府部門防洪減災提供可靠的科學性依據和技術理論數(shù)據支撐。

1 構建EasyRiv1D洪水演進模型

1.1 模型簡介

EasyRiv1D模型是由我國水利部門自主研發(fā)的一種能夠支持不同時空尺度快速模擬、DEM建模和參數(shù)自動識別并具有自主知識產權的水力學模型。該模型是以河道水流不可壓縮與水流均質為基本條件，并且假定河道斷面、坡降無較大變化幅度，然后利用圣維南方程組進行模擬分析[7]。其方程組如下：

?A/?t+?Q/?x=q

(1)

(2)

以上式中 A——水流斷面的面積，m2；

Q——水流斷面的流量，m3/s；

q——基本單位河流長度上支流的流量，m3/s；

x——河流長度，m；

t——匯流時間，h；

Z——水位,m;

C——泄洪系數(shù);

R——水力半徑,m；

α——動量的校正系數(shù)。

1.2 河道下滲參數(shù)耦合系統(tǒng)

遼河流域洪水演進受河道下滲參數(shù)的影響作用較為明顯，地下水與地表水之間相互作用、相互影響，其相互關聯(lián)的變量是決定二者定耦合系統(tǒng)的關鍵，因此，地下水流可用如下方程表示：

(3)

(4)

(5)

以上式中Bgw——潛水含水層寬度，m；

K——滲透系數(shù);

M——含水層厚度,m;

S——給水度;

P——河道濕周,m；

b——河道防滲層厚度，m；

h——地下水水位，m；

Z,Z0——河道水位,河底高程或者河道防滲層底面的高程，m；

qg——交換量，正數(shù)為流入,負數(shù)為流出。

基于三級解法與加權離散對河網水流方程進行求解，同時利用追趕分析法與邊權離散計算地下水流方程。其求解的主要流程如下：對初始側流項qg利用初始地下、地表水位和初始條件進行求解，并假定初始值為河道下一刻側向流入量，即qg0=qg；然后對地下水位與河道內水位進行計算，并根據新的計算結果對比分析qg0、qgn，如果滿足收斂精度則繼續(xù)計算，否則重新調整qg0=qgn，收斂時，停止計算。

2 遼河流域河道洪水演進模擬

2.1 EasyRiv1D模型概化

EasyRiv1D模型計算的重要基礎和前提條件是對其前處理，主要有如下內容：河網拓撲結構輸入與徑流計算過程的處理；關鍵參數(shù)與河段關鍵斷面的輸入處理；模型運行規(guī)則與水工建筑物尺寸的處理[8]，初始邊界條件的界定等。本文以遼河流域中下游為研究對象，整體連續(xù)模擬中下游河道洪水演進流量過程和沿程水位，從而依據分析結果為洪水風險圖的編制和制定防洪減災措施提供數(shù)據支持。模型上下邊界條件分別為福德店水文站出庫流量與遼源水文站水文過程。

2.2 模型參數(shù)

以河道實測斷面資料作為模型所需數(shù)據的主要來源，各斷面之間的距離平均為2～3km，本文共設計斷面260個，主要資料信息見表1。

表1 遼河中下游河道斷面信息

構建模型的關鍵是對不同河段的滲透系數(shù)進行科學合理的確定，遼河流域內上下游與各河段之間存在著地下水埋藏深度、地層地質巖石的特性等下墊面條件的很大差異，故此可以依照河道下滲其他項目檢測相關結論、河床巖性等資料，確定河道下滲在洪水演進過程中的相關參數(shù)，結果見表2。

表2 河段滲透系數(shù)與地質巖性

度量河道水流阻力的重要參數(shù)為河道糙率，該參數(shù)是影響河道泄洪能力預測、水庫回水末端位置和蓄水高度模擬，各種泥沙沖淤和水力計算等方面的關鍵參數(shù)。遼河中下游河段的河道水動力初始模擬的糙率值見表2，并通過試算確定適合的糙率值。利用曼寧公式與謝才公式相結合計算糙率，公式如下：

(6)

式中Q——斷面流量，m3/s；

A——斷面面積，m2；

R——水力半徑，m；

J——水力梯度。

2.3 水力學模型預報分析

對遼河中下游河道15場洪水的徑流與洪峰進行模擬，其中12個場次作為率定期樣本，3個場次作為驗證期樣本。結果顯示，模擬相對誤差在各個水文站存在較大差異，其原因可能與流量實測資料較差相關。在大水時水位流量關系曲線為遼河水系的流量檢驗主要依據，隨著人類活動與經濟社會對河道斷面影響的不斷增大，水文資料已不能準確、客觀地反映河流斷面實際情況。并且，在汛期強降雨時遼河流域修建的橡膠壩，可出現(xiàn)人造洪峰的現(xiàn)象并使得河道驗證期與率定期存在較大的誤差[9-10]。各站點模擬成果特征值見表3。

表3 各站點模擬成果特征值

表中H、T、R分別為渾河、太子河、饒陽河支流場洪，從驗證期3個場次洪水特征值可以看出，實測值與H、T、R水文站的數(shù)值模擬具有良好的一致性，模擬結果基本能夠反映河流水文斷面流量變化特征，并且實測洪峰時間與模擬結果基本保持一致，EasyRiv1D模型具有良好的擬合效果，在我國東北區(qū)域的洪水預報中具有良好的實際應用價值。另外，各水文站的確定性系數(shù)均高于0.6，由此表明在洪水預報過程中模型表現(xiàn)出較強的適用性與較高的精度。

2.4 定量預報的不確定性分析

為了避免對預報結果不確定性的影響，可利用不確定處理器HUP定量評估洪水預報結果[11-12]。該模型首先假定實測流量H0，利用Hn、Sn;(n=1,2,…,N)分別表示實測流量、模型確定性預測流量，N為預見期長度。假定hn、sn分別為Hn、Sn的取值，模型起始預測時間H0=h0。因此可利用貝葉斯公式計算概率密度函數(shù)φn，結合似然函數(shù)和先驗密度函數(shù)進行估計，計算公式如下：

(7)

確定性預報結果sn是模型耦合結果，利用式(7)可得到在hn、sn條件下預報量hn的概率分布φn(hn|sn,h0)，對其預報結果的不確定性和相似性加以分析和評估。本文以渾河典型水文站的5場次洪水為案例進行了分析，并對其利用式(7)和求算方法獲取90%預報區(qū)間等數(shù)據，計算結果見表4。

表4 渾河洪水預報不確定性定量分析結果

由表4計算結果可知，預報區(qū)間為90%的離散度處于0.25～0.28區(qū)間，并且百分比均大于95%。通過上述計算和分析可知，耦合模型預測結果值的不確定性相對比較低，對于確定性預報結果Q50%的預報結果來說，洪峰流量預測結果的序列可靠性與精確性相當高，具有一定的應用價值。

3 結 論

本文基于遼河流域實測水文資料和水量平衡原理構建了一維水動力學模型，預測分析了各代表性河段的徑流與洪峰誤差，以期為該流域洪水治理和防汛工作的開展提供一定參考，得出的主要結論如下：

a.模擬相對誤差在各個水文站存在較大差異，其原因可能與流量實測資料較差相關。隨著人類活動與經濟社會對河道斷面影響的不斷增大，水文資料已不能準確、客觀地反映河流斷面實際情況，在汛期強降雨時遼河流域修建的橡膠壩，可出現(xiàn)人造洪峰的現(xiàn)象并使得河道驗證期與率定期存在較大的誤差。

b.實測值與H、T、R水文站的數(shù)值模擬具有良好的一致性，模擬結果基本能夠反映河流水文實際狀況，具有良好的擬合效果，并且各水文站的確定性系數(shù)均高于0.6。EasyRiv1D模型在洪水預報過程中表現(xiàn)出較強的適用性與較高的精度。

c. EasyRiv1D模型考慮了河流下滲損失的影響作用，通過模型的預測可以為北方干旱半干旱地區(qū)的洪水預測的實際應用提供理論依據和數(shù)據支撐，同時，為遼河區(qū)域水資源保護和開發(fā)利用提供一定參考和借鑒。