水利工程論文-錢塘江河口洪水特性及動床數(shù)值預(yù)報(bào)模型.doc

水利工程論文-錢塘江河口洪水特性及動床數(shù)值預(yù)報(bào)模型摘要：在分析錢塘江河口水文、地形及洪水位實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，得到了錢塘江河口段潮汐、徑流、河床三者的非線性關(guān)系對河口段的洪水位有顯著影響的規(guī)律，以此為基礎(chǔ)建立了洪水預(yù)報(bào)的一維動床數(shù)值預(yù)報(bào)模型。模型復(fù)演了錢塘江河口一次典型的洪水位過程，并利用動床模型和定床模型的兩種計(jì)算模式對各站洪水位進(jìn)行了比較，兩種模式計(jì)算得到的沿程洪水位可差0.32.0m，但動床模擬與實(shí)測過程十分吻合,表明在象錢塘江河口這樣大沖大淤的洪水位預(yù)報(bào)中考慮動床沖淤過程是必要的。關(guān)鍵詞：錢塘江河口洪水特性動床模型0前言錢塘江河口是一個(gè)沖積性河口(圖1)，洪沖潮淤，年內(nèi)基本平衡。每年汛期前4月份，如前期為枯水，江道淤高，汛期即使遭遇中小洪水，沿程洪水位也比常年高出甚多，即小流量高水位的現(xiàn)象在錢塘江河口非常多見，這一特點(diǎn)不同于其它河流，它給洪水預(yù)報(bào)提出了極高的要求。對于河床易沖易淤的錢塘江河口，洪水位預(yù)報(bào)的難點(diǎn)主要有二，第一是由于錢塘江河口河床地形受徑流豐枯多變，洪水預(yù)報(bào)前期地形數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確獲得，一般每年4月、7月、11月份施測三次地形，而洪水一般多發(fā)生在6月中旬至7月中旬的一個(gè)月內(nèi)，如4月至6月中旬上游雨量偏多或偏少，錢塘江河口就會發(fā)生較大幅度的沖淤變化，如仍采用4月份的江道地形預(yù)報(bào)6月中旬以后發(fā)生的洪水過程，會帶來很大的誤差；第二是必須考慮洪水過程中河床的沖淤變化，原因在于錢塘江河口由細(xì)粉沙組成，床沙中值粒徑在0.020.04mm，泥沙起動流速0.50.7m/s，極易起動，致使河床在洪水期變化較快，一般歷時(shí)35天的洪水可將前期7個(gè)月淤積的泥沙搬運(yùn)至河口段的下游。這表明在錢塘江河口洪水預(yù)報(bào)中必須考慮河床的沖淤過程。圖1錢塘江河口示意圖Fig.1SketchmapofQiantangEstuary洪水預(yù)報(bào)的主要任務(wù)是根據(jù)河段上游的已知流量過程，預(yù)測下游沿程重要城鎮(zhèn)的流量、流速及水位過程。洪水系長波，其運(yùn)動規(guī)律可用圣維南方程組來描述。錢塘江河口段河床由細(xì)粉沙組成，易沖易淤，河床慣性較小，特別是在洪水期較短的時(shí)間內(nèi)，河床沖刷劇烈，同一洪峰流量的洪水位可相差1m之多，這主要是由于在錢塘江河口段潮汐、徑流、河床地形三者的非線性關(guān)系對河口段的洪水位有顯著的影響。幾十年來，科學(xué)工作者在分析錢塘江河口大量水文、潮汐及地形的實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，得到了影響河口洪水位的幾種因素，并根據(jù)河口段潮流、泥沙運(yùn)動與河床變形理論進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)模型的研究，取得了不少的研究成果12。但限于當(dāng)時(shí)計(jì)算技術(shù)條件，對洪水前期的江道地形采用經(jīng)驗(yàn)修正的方法得到，再用經(jīng)驗(yàn)合軸相關(guān)曲線作閘口站洪水位預(yù)報(bào)，它的優(yōu)點(diǎn)是方便快速，缺點(diǎn)是不能動態(tài)預(yù)報(bào)洪水位沿時(shí)空的變化過程。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，建立了一維動床數(shù)值預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行了錢塘江河口的一次典型洪水過程的數(shù)值預(yù)報(bào)，其速度和精度可滿足預(yù)報(bào)要求，為實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。1錢塘江河口洪水位變化特性1.1錢塘江河口洪水特性錢塘江河口七堡以上河段最高水位受梅汛期洪水控制（僅個(gè)別年份由臺風(fēng)暴潮引起）。由于錢塘江河口具有潮大流急，河床沖淤幅度大、速度快的特點(diǎn)，使得該河段的洪水位變化規(guī)律既不同于無潮河流，也不同于沖淤變化較小的潮汐河流。具體地說，它除了與汛期洪水流量大小直接有關(guān)外，還受江道沖淤面貌、下游潮汐、河口下段尖山河灣主槽走向、長度及人類活動（包括新安江水庫的興建及治江圍墾）等諸多因素控制。一般地，閘口洪水位（Z）可由閘口洪峰流量（Q）、閘口至鹽官江道容積（V）、下游澉浦高潮位（ZZ）三者的非線性回歸關(guān)系確定,由此建立經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)合軸相關(guān)圖2。1.2泥沙輸移對洪水位影響錢塘江河口泥沙輸移對沿程洪水位影響比較敏感。實(shí)測資料分析表明，在枯水大潮期間，鹽官以下河段落潮含沙量大于漲潮含沙量，而鹽官以上河段漲潮含沙量大于落潮，凈泥沙輸移是指向上游，從而造成錢塘江河口自上而下的淤積，導(dǎo)致該河段年內(nèi)潮淤洪沖，年際間表現(xiàn)為豐水年沖刷，枯水年淤積的格局。泥沙輸移的最終結(jié)果使閘口至鹽官河段河床發(fā)生沖淤變化，進(jìn)而影響行洪面積。該河段的沖淤面貌可用錢塘江河口沙坎高程及閘口至鹽官河段7m下容積等指標(biāo)表征，它們均可用閘口站低水位集中反映。從表1的幾次洪水資料可以看出江道沖淤面貌對洪水位的影響起決定作用。比較1955年6月與1968年7月兩次閘口洪水位，由于汛前江道面貌不同，1955年汛前江道沖刷，面積、容積均很大，汛前閘口斷面低水位僅3.87m，沙坎高程2.1m，而1968年汛前遭遇枯水而淤積，江道面積、容積較小，僅2.68億m3，閘口低水位高達(dá)6.14m，沙坎高程4.0m，盡管閘口洪水流量相差2倍多，但其最高水位非常接近，分別為9.07m和9.01m，出現(xiàn)小流量高水位的現(xiàn)象主要在于江道淤積所致。而1968年7月與1955年4月另一次洪水相比閘口洪峰流量相近，分別為12000m3/s和11000m3/s，但由于江道面貌不同，兩者的洪水位差達(dá)2m之多。表1實(shí)測典型洪水比較Tab.1ComparisonofmeasuredtypicalfloodsintheQiantangriver年.月.日洪峰流量/m3.s-1閘口洪水位/m汛前閘口低水位/m河口沙坎高程/m澉浦高潮位/m閘口至鹽官容積/億m31955.6.22310009.073.872.106.619.311968.7.10120009.016.144.06.602.681955.4.17110007.004.473.704.567.981997.7.9150009.675.884.56.313.051.3潮汐對河口洪水位的影響在錢塘江河口洪水演進(jìn)中，下游澉浦潮汐大小對該河段洪水位起頂托作用，相同的江道條件與洪水條件下，潮汐大則洪水位高。如1994年6月18日與1995年6月25日兩次洪水，上游富春江電站的洪峰流量基本相同，分別為10100m3/s和10600m3/s，洪水前閘口至鹽官7m下容積也基本相同，均為4.0億m3，但下游澉浦的高潮位不同，分別為5.15m、4.31m，差0.84m，而閘口的洪水位分別為8.1m、7.56m，兩者相差0.54m之多?？梢姵毕珜樗挥绊懕容^明顯。2動床數(shù)值預(yù)報(bào)模型的建立2.1基本控制方程及定解條件錢塘江河口經(jīng)治江圍墾后，河道已相對比較規(guī)則，可以用一維動床數(shù)學(xué)模型來描述水流運(yùn)動規(guī)律，考慮到水體挾帶的泥沙主要以細(xì)顆粒懸移質(zhì)為主，河床沖淤也以懸移質(zhì)起主要作用，因此本文在模型中也主要考慮懸移質(zhì)泥沙，單一河道懸沙數(shù)學(xué)模型基本控制方程可以表述如下:水流連續(xù)方程(1)水流運(yùn)動方程：(2)懸沙輸移方程：(3)河床變形方程：(4)挾沙能力公式：（5）式中：x為河道里程，t為時(shí)間，Q為流量,B為河寬，Z為潮位，為斷面過水面積，為謝才系數(shù)，R為斷面水力半徑，S為斷面平均含沙量,S*為斷面平均挾沙能力，、為泥沙沖淤系數(shù)，為泥沙沉降速度，為斷面平均河底高程，為單位河段傍側(cè)入流量。E為泥沙縱向擴(kuò)散系數(shù),s為泥沙干容重。將方程(1)(3)式按Preissmann四點(diǎn)偏心隱格式離散,方程(4)用一般的時(shí)間差分格式離散得到差分方程。限于篇幅，基本方程的定解條件及離散方程詳見文獻(xiàn)34。但象錢塘江之類的河口，在徑流和潮流作用下形成往復(fù)水流，就流動方向而言，存在如圖2的四種情況。(a)、(b)兩種情形與單向流動沒有什么區(qū)別，水流和含沙量計(jì)算方法也與單向河道相同；(c)、(d)兩種情形與單向流動的差異在于水流和含沙量內(nèi)邊界提法不同，特別是(d)情形，計(jì)算河段的上、下邊界不需要含沙量邊界條件，其計(jì)算邊界條件應(yīng)在停滯點(diǎn)(Q0)所在斷面給定水流和含沙量的內(nèi)邊界條件。對于(c)不需給含沙量內(nèi)邊界條件，只要將河段分成兩單向河段處理即可。下面重點(diǎn)說明(d)情況的水流、含沙量內(nèi)邊界條件如何給定。圖2潮流往復(fù)流動的四種情況Fig.2Sketchofthetidalflow在水流運(yùn)動方程中的阻力項(xiàng)已作了單向流動的假定，正、負(fù)兩種方向的流動阻力系數(shù)不等，在包含正、負(fù)二向流動的河段中，應(yīng)將二向流動河段分別處理。假定滯流點(diǎn)(k0)在t內(nèi)位置固定不變，mk和kn兩段分別可用Preissmann格式離散得離散方程，其式與在mn斷面直接離散得到的離散方程的形式區(qū)別僅在于用Xmn/2代替其中的。根