二維水動(dòng)力學(xué)模型在水文站站址選擇中的應(yīng)用

宋 雄，馬 黎，趙 喬，李大成，李 悅

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

河道流量記錄提供了河川徑流時(shí)間和空間上的分布情況，可為水資源管理、工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行及抗災(zāi)減災(zāi)等提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。河道流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)需要設(shè)置水文站點(diǎn)，如今大江大河上的水文站網(wǎng)已完善，但中小河流及特定工程的專用水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)建設(shè)需求仍然存在。特別是，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站網(wǎng)的建設(shè)一直在完善當(dāng)中。

水文站點(diǎn)是否能準(zhǔn)確記錄所在斷面的流量數(shù)據(jù)意義重大。對(duì)于水資源管理，它積累基礎(chǔ)的河川徑流數(shù)據(jù)，為水資源管理提供依據(jù)；對(duì)于工程設(shè)計(jì)，它提供基礎(chǔ)的水文資料，直接關(guān)系到工程設(shè)計(jì)規(guī)模；對(duì)于工程施工，它可以提供一手的水文資料，對(duì)防洪度汛不可或缺。而水文站站址的選擇直接關(guān)系到河道流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度，這主要是因?yàn)樗恼军c(diǎn)能夠獲取到的河道徑流最直觀的信息是水位，水文站主要通過(guò)流量數(shù)據(jù)巡測(cè)，擬定站址水位流量關(guān)系，并通過(guò)水位間接推求河道的流量數(shù)據(jù)。

以往水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)選址和優(yōu)化研究主要考慮站點(diǎn)的空間布局合理性、監(jiān)測(cè)要素代表性、建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和水利工程適應(yīng)性[1-7]，研究的重心側(cè)重于區(qū)域站網(wǎng)布設(shè)的優(yōu)化；但對(duì)于具體站點(diǎn)站址斷面選擇的方法研究論述較少。世界氣象組織(WMO)在河道流量監(jiān)測(cè)手冊(cè)[8]中給出了水文站站址斷面選擇的12條原則，不少研究[9-14]也是基于此類原則探討了水文站具體選址中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題。如，梁鑫與鄧懿[9]進(jìn)一步提出“水文站斷面選址時(shí)應(yīng)盡量選擇附近有橋梁的地方便于無(wú)纜道情況下的河道測(cè)流”，但上述文獻(xiàn)所述內(nèi)容均為定性指導(dǎo)原則，實(shí)際站點(diǎn)選擇當(dāng)中不宜把握尺度，很難對(duì)所選站址斷面的優(yōu)劣做出直觀判斷。

本文針對(duì)傳統(tǒng)水文站站址選擇方法的缺陷，首次提出了結(jié)合二維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行水文站站址選擇的方法，具有指導(dǎo)水文站站址選擇的實(shí)際意義，可以更為直觀地判斷所選站址斷面的優(yōu)劣，避免水文站站址的反復(fù)遷移。

1 研究區(qū)域

本文選取坦桑尼亞Rufiji河Stigler峽谷河段作為水文站站址選擇的研究河段。目前，坦桑尼亞政府正在該河段興建朱利葉斯·尼雷爾水電站，研究河段水文測(cè)站的建設(shè)可以為設(shè)計(jì)施工提供一手河流水文觀測(cè)資料。水文站站址需盡量靠近發(fā)電廠房尾水，同時(shí)需要避開施工影響區(qū)域；根據(jù)河道自然形態(tài)，河道在經(jīng)過(guò)下游永久橋后向東南方向轉(zhuǎn)彎。因此，水文站站址斷面擬在廠房至永久橋下下游河段之間選取。

Rufiji河是坦桑尼亞境內(nèi)最大的河流，Stigler峽谷位于Rufiji河下游，峽谷河段以上流域集水面積158 200 km2，多年平均流量896 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量為13 212 m3/s。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 二維水動(dòng)力學(xué)模型

水動(dòng)力學(xué)模型的基本原理：基于描述水流運(yùn)動(dòng)的基本方程，利用有限差分、有限元等方法對(duì)方程進(jìn)行離散化處理，最后借助計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行求解。目前，水動(dòng)力學(xué)模型軟件已經(jīng)相當(dāng)成熟。如，丹麥水力研究所(DHI)的MIKE系列、荷蘭的三角洲研究院(Deltares)的Delft3D、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的MD_SWMS、美國(guó)陸軍工程師兵團(tuán)水力工程中心(HEC)的HEC-RAS軟件。這些軟件已在全球范圍得到廣泛的應(yīng)用。

Alvarez等[15]利用MD_SWMS軟件對(duì)Trinity河的研究河段進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)模擬，水深及流速模擬成果為河流生態(tài)修復(fù)計(jì)劃提供了重要依據(jù)；王春宇[16]基于二維水動(dòng)力學(xué)模型模擬了遼寧不同類型河段的水流流態(tài)分布，模擬成果表明二維水動(dòng)力學(xué)模型可較好地模擬不同河流流態(tài)分布；徐云乾等[17]基于HEC-RAS進(jìn)行了二維潰壩洪水模擬，并繪制出洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、最大水流流速圖；王麗杰[18]基于二維水動(dòng)力學(xué)模型，分析了不同數(shù)量橋梁方案下河道水位、流速與局部流場(chǎng)的變化對(duì)河道的影響。

上述研究表明，二維水動(dòng)力模型可較好模擬研究河段水流的流態(tài)，并能繪制出河段的水深分布圖、流速分布圖等，可為水文站站址斷面選擇提供直觀的依據(jù)。水文站站址斷面選擇時(shí)，可依據(jù)二維水動(dòng)力學(xué)模型成果避開回水影響區(qū)、水流流態(tài)紊亂區(qū)，選擇出較為合理的站址橫斷面。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

二維水動(dòng)力模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)、入流量過(guò)程等。

(1)地形數(shù)據(jù)。采用研究河段1∶500實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，后處理成DEM文件，供二維水動(dòng)力學(xué)模型軟件使用。

(2)入流量過(guò)程。采用研究河段10年一遇設(shè)計(jì)洪水過(guò)程作為模型入流過(guò)程，入流過(guò)程見圖2，本次采用設(shè)計(jì)入流過(guò)程漲水段與退水段形狀一致，旨在研究河段的槽蓄作用對(duì)洪水過(guò)程的影響。

3 建模過(guò)程

3.1 計(jì)算網(wǎng)格劃分

研究河段主河道平均寬度在200 m左右，二維水動(dòng)力學(xué)劃分計(jì)算網(wǎng)格時(shí)，一方面要考慮計(jì)算網(wǎng)格要能反應(yīng)地形變化，特別是水力坡度發(fā)生較大變化的區(qū)域需要加密網(wǎng)格；另一方面，也要考慮模型的計(jì)算效率，網(wǎng)格過(guò)密會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度極慢。事實(shí)上，二維水動(dòng)力學(xué)模型在進(jìn)行水流計(jì)算時(shí)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)充分考慮其下的地形，1個(gè)計(jì)算網(wǎng)格相當(dāng)于1個(gè)小的槽蓄水庫(kù)。經(jīng)綜合分析，本文計(jì)算網(wǎng)格取10 m，并在河道中心線及關(guān)注的水文站站址比選斷面處設(shè)置斷裂線，加密計(jì)算網(wǎng)格，使計(jì)算網(wǎng)格盡量與水流方向一致，劃分好的計(jì)算網(wǎng)格如圖3。圖3中所求1號(hào)～7號(hào)斷面為根據(jù)河段地形形態(tài)擬進(jìn)行比選的水文站站址位置。其中，1號(hào)斷面處建有過(guò)河永久橋梁，橋梁斷面形態(tài)如圖4所示。由圖4可見，有橋墩侵占主河道。

3.2 設(shè)定邊界條件

二維水動(dòng)力學(xué)模型的邊界條件通常為上下游開邊界以及二維模擬區(qū)域糙率，上游開邊界條件直接采用入流過(guò)程，下游邊界條件采用正常水深，二維模擬區(qū)域采用綜合糙率，取0.06。一些二維模型軟件還可考慮下墊面情況，制作糙率下墊面文件導(dǎo)入模型。

3.3 設(shè)定計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)

二維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，需要設(shè)定模型的計(jì)算步長(zhǎng)。計(jì)算步長(zhǎng)的選定，一方面要考慮計(jì)算效率；一方面又要考慮模型正常計(jì)算的最短步長(zhǎng)，可參考Courant數(shù)的計(jì)算原理進(jìn)行選取。經(jīng)綜合分析，本文取10 s作為模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

4 水文站站址確定

4.1 初步軸線確定

根據(jù)工程設(shè)計(jì)、施工需要，結(jié)合研究河段形狀，共選取1號(hào)～7號(hào)斷面作為本文研究比選的水文站站址初步軸線，見圖3。

4.2 二維模型計(jì)算結(jié)果

(1)流量過(guò)程。本次研究河段長(zhǎng)約2 km，各比選斷面流量過(guò)程見圖5。由圖5可知，研究河段上下游流量過(guò)程差異并不明顯。單獨(dú)對(duì)比最下游1號(hào)斷面與最上游7號(hào)斷面的流量過(guò)程可知，河段雖有一定槽蓄作用，但并不顯著。這說(shuō)明研究河段的水力控制特性較好，洪水過(guò)程在此區(qū)間并未發(fā)生較大坦化(見圖6)。因此，從洪峰流量來(lái)說(shuō)，此區(qū)間各處位置設(shè)站監(jiān)測(cè)的流量差異不會(huì)很大，均能較好地反映廠房尾水處的流量。

(2)水位流量關(guān)系。水文站站址選擇時(shí)，應(yīng)盡量避開回水影響區(qū)，以使所選斷面水位流量關(guān)系盡量接近單一線，避免出線顯著的繩套效應(yīng)，以便通過(guò)水位直接換算成流量。由于河道形狀影響，天然河段亦會(huì)出現(xiàn)回水影響效應(yīng)，點(diǎn)繪研究河段各比選斷面的水位流量關(guān)系(見圖7)。由圖7可知，各斷面水位流量關(guān)系繩套效應(yīng)均不明顯，最上游靠近廠房的7號(hào)斷面在低水時(shí)水位流量關(guān)系較為發(fā)散；采用7號(hào)斷面作為水文站站址斷面可能影響低水流量的分析精度，其余斷面繩套效應(yīng)均不顯著，滿足設(shè)站要求；橋梁下游斷面水位流量關(guān)系最為平滑，受橋墩壅水影響最小。

4.3 站址確定

從二維水力學(xué)模型各斷面流量過(guò)程及水位流量關(guān)系來(lái)看，7號(hào)斷面不宜作為站址斷面，其余斷面水位流量關(guān)系均未出現(xiàn)顯著繩套效應(yīng)。特別是1號(hào)橋梁下游面斷面水位流量關(guān)系最為平滑，目前看其最適宜選作站址斷面，但仍需做進(jìn)一步分析。

(1)水深分布。研究區(qū)域的水深分布見圖 8。由圖8可知，1號(hào)橋梁上游河段主河槽均較深，可滿足諸如壓力式水位計(jì)的測(cè)量要求。

(2)流速分布。水文站站址斷面所處河段在大水時(shí)流速不宜過(guò)急，流速過(guò)急會(huì)導(dǎo)致高水測(cè)流困難，分析研究河段流速分布(見圖9)可知，1號(hào)橋梁所在斷面在高水時(shí)受橋墩阻水影響，流速最大，局部流速高達(dá)15 m/s(流量約9 400 m3/s)，6號(hào)斷面受河道坡降影響流速次之，其余斷面流速較緩，4號(hào)斷面由于河段“魚肚效益”形成局部水塘，流速最緩，從流速分布來(lái)說(shuō)，橋址斷面及6號(hào)斷面不宜作為水文站站址斷面。

(3)水流方向。水文站站址選擇時(shí)，還應(yīng)考慮所在斷面的水流方向，所選斷面處的水流方向應(yīng)盡量平行分布，水流方向過(guò)于散亂也不利于流量施測(cè)。由圖10可知，2號(hào)、5號(hào)斷面處流速較為散亂，受限于河道形狀，流線并不平順，相較之下，3號(hào)斷面處水流流線最為平順，最適宜作為站址斷面。

(4)水流剪應(yīng)力。水流剪應(yīng)力大的河段，河道容易發(fā)生沖淤，水文站站址選擇的時(shí)候應(yīng)該盡量避開，從研究河段水流剪應(yīng)力分布圖(見圖11)來(lái)看，1號(hào)橋梁斷面下游河段水流剪應(yīng)力最大，6號(hào)、7號(hào)斷面次之，其余斷面處水流剪應(yīng)力接近。

綜上所述，無(wú)論是從水深、流速分布、水流方向還是水流剪應(yīng)力來(lái)說(shuō)，3號(hào)斷面均為最佳的水文站站址斷面。

5 結(jié)論與討論

本文分析了傳統(tǒng)水文站站址斷面的選擇方法，率先提出了結(jié)合二維水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行水文站站址選擇的方法，并以坦桑尼亞Stigler峽谷河段水文站選址為例進(jìn)行了二維水動(dòng)力學(xué)模擬，通過(guò)綜合分析研究河段的水深、流速、流向及剪應(yīng)力分布場(chǎng)，最終推薦了水文站站址斷面。該方法在實(shí)際操作中更為直觀，指導(dǎo)性更強(qiáng)，可為水文站選址提供更好依據(jù)。特別是對(duì)于支流測(cè)站站址選擇更具參考意義。水文站站址選擇時(shí)，一方面支流測(cè)站應(yīng)該盡量靠近匯合口，以觀測(cè)全支流來(lái)流量；另一方面又要盡量遠(yuǎn)離匯口的水力頂拖影響區(qū)域。二維水動(dòng)力學(xué)模型模擬成果可為此類河段站址選擇提供很好的選址依據(jù)。