基于經(jīng)驗公式與一維水動力模型的大寧河洪水預(yù)報

王齊鋒，陳偉娜，王艷艷

（山脈科技股份有限公司,陜西 西安 710000）

1 概述

洪澇災(zāi)害是我國發(fā)生最頻繁、分布最廣泛的自然災(zāi)害,歷來是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的心腹之患。我國約有50%的人口、80%的資產(chǎn)、40%的耕地和90%的大中城市受洪水威脅[1]。近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,每年洪澇災(zāi)害所造成的損失呈上升趨勢,嚴(yán)重威脅到國民經(jīng)濟可持續(xù)快速發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全。雖然經(jīng)過長時間、大規(guī)模的建設(shè),主要江河流域已基本形成了較為完善的防洪工程體系并達到了設(shè)定的防洪標(biāo)準(zhǔn),但山區(qū)河道防洪形勢依然嚴(yán)峻,平常年份洪水災(zāi)害約造成全國上千億元經(jīng)濟損失和千人左右人員死亡,大災(zāi)年份洪水災(zāi)害損失則成倍增長。隨著氣候變化加劇,洪澇災(zāi)害呈突發(fā)、多發(fā)和極端化態(tài)勢,我國的防洪形勢,特別是山區(qū)山洪防御將變得更加嚴(yán)峻。

面對嚴(yán)峻的防洪形勢和工程防洪能力難以進一步顯著提高的現(xiàn)實情況,建立山區(qū)洪水預(yù)報模型,對于提高我國防洪減災(zāi)能力、減輕或避免生命財產(chǎn)損失,非常必要、重要和迫切。

2 研究方法

2.1 設(shè)計洪水計算

設(shè)計洪水的計算可采用推理公式法、瞬時單位線法、水文比擬法以及水文模型如新安江模型、API、NAM模型,考慮到大寧河流域支流多、流域面積大、測站稀少,大部分地區(qū)甚至沒有測站,因此采用水文模型計算干支流洪水具有較大困難。根據(jù)流域內(nèi)現(xiàn)有資料及站點情況,大寧河流域洪水采用水文比擬法、推理公式及瞬時單位線進行計算。

（1）水文比擬法

巫溪水文站處于大寧河流域中游位置,控制流域面積2001 km2。采用巫溪水文站計算大寧河及其支流洪水。

根據(jù)該區(qū)規(guī)劃報告,面積比系數(shù)n取0.67。

（2）推理公式法

根據(jù)本工程流域自然地理及流域下墊面情況,在《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》（下稱“手冊”）中選取盆地丘陵區(qū)綜合產(chǎn)、匯流計算公式。

根據(jù)設(shè)計暴雨參數(shù)及丘陵區(qū)產(chǎn)、匯流參數(shù)采用《手冊》中推理公式推求設(shè)計洪水[2]。

（3）瞬時單位線法

1）產(chǎn)流參數(shù)：查《手冊》中綜合分區(qū)圖,屬Ⅱ區(qū),流域平均暴雨損失量If取35mm,流域平均穩(wěn)定入滲率fc取0.98 mm。

2）匯流參數(shù)：根據(jù)流域地理位置及實際情況,查《手冊》綜合瞬時單位線匯流參數(shù)分區(qū)圖①區(qū)。

根據(jù)控制斷面位置、流域調(diào)蓄作用及下墊面情況,采用《手冊》中四川省分區(qū)綜合瞬時單位線參數(shù)公式表第1區(qū)有關(guān)公式,分析計算匯流參數(shù)k、n。即：

根據(jù)上述參數(shù)采用《手冊》中瞬時單位線法推求設(shè)計洪水。

2.2 水動力模型

考慮到大寧河流域山高坡陡,故采用一維水動力模型研究河道洪水演進,一維水動力模型具有計算穩(wěn)定、精度高、可靠性強等特點,能方便靈活地模擬復(fù)雜河網(wǎng)水流、閘門、水泵等各類水工建筑物的運營調(diào)度[3]。

一維水動力模型采用一維非恒定流Saint-Venant方程組來模擬河道洪水模擬。包括連續(xù)性方程和動量方程,如下：

式中：x、t分別為計算點空間和時間的坐標(biāo),A為過水?dāng)嗝婷娣e,Q為過流流量,h為水位,q為旁側(cè)入流流量,C為謝才系數(shù),R為水力半徑,α為動量校正系數(shù),g為重力加速度[4]。

方程組利用六點隱式有限差分格式求解,該方法具穩(wěn)定性好,不易發(fā)散等特點,離散后采用追趕法求解,在斷面、支流匯入、上下游端點處計算水位,在水工建筑物及兩個水位點之間計算流量,呈現(xiàn)出水位h點、流量Q點交替計算求解。

3 研究區(qū)概況

大寧河古名昌江、鹽水、高峰河,又名巫溪,自宋代置大寧監(jiān)后稱大寧河。流域東鄰沿渡河,北連漢江水系,西接梅溪河、湯溪河,南與長江干支流相鄰,為長江左岸一級支流。其發(fā)源于大巴山南麓,流經(jīng)巫溪、巫山兩縣,經(jīng)龍溪、大昌等地至巫山縣城注入長江,流域面積約4366 km2。流域內(nèi)地勢高峻,山峰起伏,層巒疊嶂,由北向南傾斜,東部高于西部；支流眾多,干支流除少數(shù)河段河谷較寬,在下游有少量沿河平壩外,大部分為狹窄的峽谷,河谷深切,河彎多,坡降大,平均坡降多在10‰,臨河山嶺相對高差一般在 1000 m 以上,其中流域面積超過50 km2的河道有29條。

流域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),流域年平均氣溫13℃～18℃,極端最高氣溫42.1℃（1990年）,高山區(qū)極端最低氣溫-25.8℃（1977年）。巫溪氣象站多年平均氣溫17.5℃。

流域內(nèi)降水量隨地勢垂直梯度分布明顯,高山地帶多年平均年降水量大于1400 mm,而河谷地帶為1000 mm～1200 mm。巫溪縣建樓站實測多年平均降水量1744.8 mm,最大年降水量2708.6 mm（1963 年）,最小年降水量652 mm（巫溪站1997 年）。4 月～10 月降水,占全年降水的90%左右。流域處于大巴山暴雨區(qū),暴雨中心分布在上游一帶。大暴雨多集中在6 月～7 月。據(jù)統(tǒng)計,流域每年均有6 小時雨量超過50 mm、日雨量超過100 mm的大暴雨發(fā)生。1994 年后溪河建樓站6 小時雨量達180 mm,12 小時雨量達300 mm,24 小時雨量達331 mm。巫溪站實測最高水位213.32 m,相應(yīng)最大流量為3430 m3/s（1998年7月）。

圖1 重慶大寧河流域水系圖

4 成果分析

4.1 設(shè)計洪水計算

根據(jù)經(jīng)驗公式計算以及其他已批復(fù)工程的洪水成果,最終選取的洪水見表1。

表1 大寧河干支流不同頻率洪水計算成果表

續(xù)表1

本次分別采用推理公式法、瞬時單位線法以及水文比擬法計算的洪水成果橫向比較（三種方案橫向比較）相差不大,縱向比較（本次三種計算方法計算成果與其他已批復(fù)洪水成果）相差較小。此外流域較小的河道采用了推理公式,流域面積較大的河道采用了水文比擬法計算,符合兩種方法的適用條件。

根據(jù)本次推薦使用的洪水,進行一維模型計算,河道不同位置模型計算流量與實測或已批復(fù)報告中推求的流量對比見表2。

表2 模型計算流量與實測/收集流量對比 單位：m3/s

由表2可知,本次計算的各支流洪水經(jīng)過演進在河道的不同位置處的洪水峰值與實測或收集到的洪水峰值相差最大在7.5%以內(nèi),計算成果合理。

圖3 大寧河干支流不同頻率洪水過程線

4.2 洪水一維演進

大寧河洪水淹沒風(fēng)險分析重點考慮的河道有：溪溝、后溪河（巫山）、平定河、洋溪河、福田河、長溪河、魚肚河、白楊河、小溪河、后溪河（巫溪）、西溪河、龍?zhí)逗?、湯家壩河、東溪河及大寧河干流共計15條河道,共設(shè)置190條斷面（見圖2）,考慮了中梁水庫（大二型）及劉家溝水庫對洪水調(diào)蓄作用,根據(jù)調(diào)度預(yù)案及泄流曲線設(shè)置水庫的調(diào)度規(guī)則。

圖2 斷面分布示意圖

經(jīng)過反復(fù)率定,大寧河干支流部分河道糙率見表3。

表3 大寧河干支流糙率取值表

由于流域內(nèi)沿河測站十分稀少,對于糙率的率定及驗證采用現(xiàn)場調(diào)查的洪痕及已批復(fù)的設(shè)計報告中所采用的設(shè)計水面線成果。其中,率定采用5 年、10 年一遇的洪水水面線,驗證采用20 年一遇的洪水水面線。部分河段的率定驗證成果見表4。

表4 大寧河干支流洪水率定驗證成果表 單位：m

當(dāng)前,大寧河干支流防洪標(biāo)準(zhǔn)不達標(biāo)段主要集中在白楊河（巫溪新城區(qū)）段,以及小溪河河口（鳳凰鎮(zhèn)）段。當(dāng)發(fā)生5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇、50 年一遇的洪水時,白楊河及小溪河水面線及存在淹沒的河道見圖4～圖5。

圖4 白楊河左右岸各頻率洪水水面線及淹沒河段示意圖

圖5 小溪河左右岸各頻率洪水水面線及淹沒河段示意圖

根據(jù)計算可知,白楊河右岸里程8515 m～10534 m及16100 m～16400 m之間防洪能力薄弱,現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不足5年一遇；白楊河右岸里程4600 m～6000 m及9000 m～12000 m現(xiàn)狀防洪能力不足10年～20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。白楊河左岸現(xiàn)狀防洪能力基本能達到5年一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn),左岸8500 m～11500 m現(xiàn)狀防洪能力不足10年～20 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)；左岸8500 m～14500 m（主要為巫溪縣城新城區(qū)段）現(xiàn)狀防洪能力不足50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

小溪河僅在下游匯入白楊河河段（鳳凰鎮(zhèn)場鎮(zhèn)區(qū)）防洪能力不足,從小溪河匯入白楊河入河口向上游1 km的范圍內(nèi),其左右岸防洪能力均不足5 年一遇水平。

5 結(jié)語

當(dāng)前對于山區(qū)洪水的預(yù)警預(yù)報主要集中在構(gòu)建水文模型、水動力模型及構(gòu)建預(yù)警指標(biāo)等方式,采用上述手段均需要有實測數(shù)據(jù)對模型或指標(biāo)進行率定驗證,而對于流域面積較大的山區(qū)河流,各支流間下墊面、降雨情況以及前期條件等都不盡相同,不具備構(gòu)建水文水動力模型以及預(yù)警指標(biāo)的的數(shù)據(jù)條件。因此對于無任何測站的山區(qū)河道可采用經(jīng)驗公式計算設(shè)計洪水,并通過一維水動力模型分析洪水演進過程中可能出現(xiàn)的洪水淹沒風(fēng)險,初步建立無資料地區(qū)的洪水預(yù)報工作方式。