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

水利工程論文-錢(qián)塘江河口洪水特性及動(dòng)床數(shù)值預(yù)報(bào)模型摘要：在分析錢(qián)塘江河口水文、地形及洪水位實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，得到了錢(qián)塘江河口段潮汐、徑流、河床三者的非線性關(guān)系對(duì)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(dòng)床數(shù)值預(yù)報(bào)模型。模型復(fù)演了錢(qián)塘江河口一次典型的洪水位過(guò)程，并利用動(dòng)床模型和定床模型的兩種計(jì)算模式對(duì)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(dòng)床模擬與實(shí)測(cè)過(guò)程十分吻合,表明在象錢(qián)塘江河口這樣大沖大淤的洪水位預(yù)報(bào)中考慮動(dòng)床沖淤過(guò)程是必要的。關(guān)鍵詞：錢(qián)塘江河口洪水特性動(dòng)床模型0前言錢(qián)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(qián)塘江河口非常多見(jiàn)，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(duì)于河床易沖易淤的錢(qián)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(qián)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(cè)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(qián)塘江河口就會(huì)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(guò)程，會(huì)帶來(lái)很大的誤差；第二是必須考慮洪水過(guò)程中河床的沖淤變化，原因在于錢(qián)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(dòng)流速0.50.7m/s，極易起動(dòng)，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(qián)塘江河口洪水預(yù)報(bào)中必須考慮河床的沖淤過(guò)程。圖1錢(qián)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(guò)程，預(yù)測(cè)下游沿程重要城鎮(zhèn)的流量、流速及水位過(guò)程。洪水系長(zhǎng)波，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用圣維南方程組來(lái)描述。錢(qián)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(qián)塘江河口段潮汐、徑流、河床地形三者的非線性關(guān)系對(duì)河口段的洪水位有顯著的影響。幾十年來(lái)，科學(xué)工作者在分析錢(qián)塘江河口大量水文、潮汐及地形的實(shí)測(cè)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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)洪水位沿時(shí)空的變化過(guò)程。本文在前人工作的基礎(chǔ)上，建立了一維動(dòng)床數(shù)值預(yù)報(bào)模型，進(jìn)行了錢(qián)塘江河口的一次典型洪水過(guò)程的數(shù)值預(yù)報(bào)，其速度和精度可滿(mǎn)足預(yù)報(bào)要求，為實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。1錢(qián)塘江河口洪水位變化特性1.1錢(qián)塘江河口洪水特性錢(qián)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(tái)風(fēng)暴潮引起）。由于錢(qián)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(wú)潮河流，也不同于沖淤變化較小的潮汐河流。具體地說(shuō)，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(zhǎng)度及人類(lèi)活動(dòng)（包括新安江水庫(kù)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(duì)洪水位影響錢(qián)塘江河口泥沙輸移對(duì)沿程洪水位影響比較敏感。實(shí)測(cè)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(qián)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(qián)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(duì)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(cè)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(duì)河口洪水位的影響在錢(qián)塘江河口洪水演進(jìn)中，下游澉浦潮汐大小對(duì)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?jiàn)潮汐對(duì)洪水位影響比較明顯。2動(dòng)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(qián)塘江河口經(jīng)治江圍墾后，河道已相對(duì)比較規(guī)則，可以用一維動(dòng)床數(shù)學(xué)模型來(lái)描述水流運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(guò)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(jiàn)文獻(xiàn)34。但象錢(qián)塘江之類(lèi)的河口，在徑流和潮流作用下形成往復(fù)水流，就流動(dòng)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(dòng)沒(méi)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(dòng)的差異在于水流和含沙量?jī)?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(duì)于(c)不需給含沙量?jī)?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(shuō)明(d)情況的水流、含沙量?jī)?nèi)邊界條件如何給定。圖2潮流往復(fù)流動(dòng)的四種情況Fig.2Sketchofthetidalflow在水流運(yùn)動(dòng)方程中的阻力項(xiàng)已作了單向流動(dòng)的假定，正、負(fù)兩種方向的流動(dòng)阻力系數(shù)不等，在包含正、負(fù)二向流動(dòng)的河段中，應(yīng)將二向流動(dòng)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