泗河水面線計算方法探析

鞏富燁，張 濤

（1.武城縣水利局，山東 武城 253300；2.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250014）

1 河道基本情況

河道水位是反映洪水流量的直接表征因素，水位過高將導(dǎo)致洪水漫溢或潰堤等風險事件發(fā)生，不同的水面線計算方法存在一定差異[1，2]。以泗河為例，采用非恒定流法計算河道水面線，通過場次洪水進行模型驗證；并與傳統(tǒng)的恒定流法進行對比分析。

泗河屬沂沭泗水系，發(fā)源于新泰市太平頂山西，流經(jīng)泗水、曲阜、兗州、鄒城、微山，于任城區(qū)辛閘村入南陽湖。泗河全長159 km，流域面積2 357 km2。上游有大、中型水庫 5 座，小（一）水庫23 座，小（二）型水庫 178 座，塘壩 758 座；共有支流30 余條，流域面積100 km2以上的5 條。泗河屬于山丘河道，河道彎曲多變，洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，洪水漫溢決口事件風險較大。

2 泗河水面線計算

2.1 基于非恒定流的一維水動力計算模型

河道水面線采用MIKE11 模型按非恒定流水力法計算[3，4]。該模型基于圣維南方程求解，其連續(xù)方程按照質(zhì)量守恒原理，運動方程按照動量守恒原理，計算公式分別為：

式中：A 為河道過水面積；Q 為流量；u 為側(cè)向流在河道方向的流速；t 為時間；x 為沿水流方向的水平坐標；q 為河道的側(cè)向流量；α 為動量修正系數(shù)；g 為重力加速度；y 為水位；Sf為摩阻坡降。

閘壩過水建筑物、主要阻水道路采用堰流公式[2]計算：

式中：m 為考慮側(cè)向收縮的流量系數(shù)；σ 為淹沒系數(shù)；B 為堰頂寬度；H 為包括行近流速的堰前水頭。

2.2 邊界條件

1）起始水位。按防洪不利情況考慮，河道的湖口起始水位按照南四湖相應(yīng)工況下的設(shè)計水位確定。湖口設(shè)計水位20 年一遇、50 年一遇水位分別為36.29 m、36.79 m。

2）斷面及阻水建筑物。河道洪水的計算斷面間距與河寬相匹配，河道斷面間距200 m～300 m，河道平均比降基本為1/2 000。阻水建筑物包括閘、橋等，建筑物均按敞泄控制，考慮主要建筑物的阻水作用。沿程設(shè)置水閘9 座、橋梁6 座等建筑物，橋梁阻水高度為1～2 cm，水閘阻水高度為10～20 cm。

2.3 模型驗證

1）糙率擬定。對模型精度影響較大的參數(shù)是河道糙率值[2，3]。泗河為山區(qū)河道，灘地行洪斷面較大，本次泗河采用分段整體糙率，其中，樁號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）實測洪水模型驗證。結(jié)合河道治理斷面資料，根據(jù)河道下墊面及暴雨洪水量級發(fā)生情況，本次率定選取書院站（65+500）2001 年 8 月 3 日～6 日實測洪水、2007 年 8 月 15 日～23 日實測洪水進行參數(shù)率定、驗證。根據(jù)擬定的糙率參數(shù)、建筑物布置、實測洪水進行水位模擬，泗河書院站實測與模擬水位對照詳見圖1、圖2。

圖1 書院站20010804 號洪水實測-模擬水位對照

圖2 書院站20070817 號洪水實測-模擬水位對照

3）參數(shù)率定結(jié)果分析。書院站20010804 號洪水、20070817 號洪水的實測洪峰分別為916 m3/s、1 070 m3/s；實測水位分別為 66.73 m、66.93 m，模型模擬水位分別為66.75 m、66.84 m。通過上述2場實測洪水模擬結(jié)果可以看出，在洪水大流量、高水位階段，模擬水位與實測水位吻合較好，誤差控制在0.2 m 之內(nèi)；在洪水初期起漲階段以及洪水結(jié)束階段，水位差異較大，與實時閘壩調(diào)度方式、模型精度等因素有關(guān)。本次洪水計算重點關(guān)注洪水大流量事件，因此，采用的糙率參數(shù)是合理的。

2.4 設(shè)計水面線對比

根據(jù)泗河設(shè)計洪水成果，應(yīng)用MIKE11 軟件采用非恒定流法計算河道水面線，并與原設(shè)計水面線成果進行比較分析。泗河50 年、20 年一遇設(shè)計洪水典型斷面流量詳見表1。

表1 泗河設(shè)計洪水成果表

1）原設(shè)計洪水成果。原河道水面線0+000～70+000 段按天然河道恒定流法公式計算，考慮建筑物的擋水作用，設(shè)計水面線詳見圖3、圖4。

圖3 泗河50 年一遇水位對照

圖4 泗河20 年一遇水位對照

2）基于非恒定流法的50 年、20 年一遇水位推算結(jié)果。采用MIKE11 按照原設(shè)計洪水推求50年、20 年一遇水位，計算結(jié)果詳見圖3、圖4。

3）結(jié)果分析。對泗河50 年一遇、20 年一遇設(shè)計水面線成果進行分析，本次模擬成果與原設(shè)計成果總體吻合較好；局部差異比較大，兩種頻率的水位平均誤差分別為6 cm、7 cm。差異主要來自于：

（1）泗河為山區(qū)河道，河道坡降較大，水面線較陡，阻水建筑物處理及局部河道斷面處理有一定的差異。

（2）計算程序的差異，原設(shè)計中采用天然河道水面線推算公式計算；MIKE11 采用圣維南方程計算，包括水流連續(xù)方程及能量方程，參數(shù)設(shè)置更為全面[4，5]。

3 結(jié) 語

泗河為低山丘陵型河道，受流域自然地理及氣候等影響，汛期暴雨降雨強度大，上游洪水暴漲暴落，容易造成洪澇災(zāi)害。經(jīng)過對實測場次洪水參數(shù)驗證，非恒定流法能滿足水面線計算精度要求；與傳統(tǒng)恒定流法計算的水面線結(jié)果基本一致。非恒定流計算的水面線能反映洪水流量過程變化引起的水位變化，能較好的反映洪水的起漲過程，更符合實際的洪水演進規(guī)律。