考虑水位分级和退水段独立的感潮河段双向波水位演算

　第2期2011年6月水利水运工程学报HYDRO⁃SCIENCE AND ENGINEERING No.2Jun.2011

收稿日期:2010-07-28 基金项目:水利部公益性行业科研专项经费项目(200801033);华南理工大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(2009ZM0051,2009ZM0044) 作者简介:王淑英(1970-),女,辽宁本溪人,高级工程师,博士,主要从事水情预报工作.通信作者:黄国如(E⁃mail:huanggr@)考虑水位分级和退水段独立的感潮河段

双向波水位演算

王淑英1,黄国如2,周　维3

(1.浙江省水文局,浙江杭州　310009;2.华南理工大学土木与交通学院,广东广州　510640;3.浙江省水利河口研究院,浙江杭州　310020)摘要:感潮河段水流受多种因素影响,呈现出复杂的周期性,具有不恒定往复流动的特征,且河道地形资料难

以获得.考虑充分利用已有水位实测资料,采用以洪潮分离为出发点的双向波方法建立感潮河段水位演算模

型,介绍该模型基本方法以及在有支流和区间入流汇入等不同情况下的改进方法.根据飞云江感潮河段的具体

特点,利用新安江模型计算区间流量过程,针对不同级别的洪水进行水位分级和退水段独立模拟,证明该模型

在感潮河段水位演算中具有良好的可靠性和适用性.

关　键　词:感潮河段;双向波;水位演算模型;水位分级;退水段;飞云江

中图分类号:TV124 文献标志码:A 文章编号:1009-640X (2011)02-0054-06

感潮河段的水流呈现出复杂的周期性,具有不恒定往复流的特征,其水位过程预报较为困难.相关分析法较为简单,较早在感潮河段水位预报中应用,然而此类经验性模型一般适用于预报洪峰水位,对有冲淤变化和人工控制河道的预报精度较差[1].基于完全圣维南方程组的水动力学方法可较好地模拟感潮河段的水流状况,并已成为一种通用方法,但因需要大量的地形资料,限制了水动力学方法在感潮河段水位预报中的应用.随着水文预报理论的发展,出现了许多水位预报新方法,如基于扩散波方程解析解的水位演算模型[2-3]㊁基于人工神经网络的水位演算模型[4]和基于数据分析的自适应水位预报模型[5],这些模型皆有特定的适用条件,在生产中还未得以广泛应用.

在对感潮河段水位预报进行不断探索的过程中,为解决水动力学模型所需地形资料较为详细的问题,充分利用已有水文资料,寻求有一定物理基础㊁简单实用的感潮河段水位预报方法一直是学者们的研究热点.包为民等[6]于1997年以马斯京根法的基本方程为基础推导了水位演算方法,使水位直接成为预报对象,避免了流量水位转换带来的误差,在此基础上提出了洪潮分离的双向波水位演算模型.近年来不少学者针对所研究感潮河段的实际情况,对双向波模型的基本演算方法进行了改进,并将这些改进的方法应用于曹娥江㊁富春江㊁椒江㊁楠溪江和长江下游等感潮河段水位预报研究中,取得了较好的结果[7-12].包为民等[13]结合动力学数学物理方程,提出双向隐式差分格式的差分模型,证明了双向波水位演算模型与运动波方程的一致性,阐明了双向波水位模型具有较为清晰的物理基础.双向波水位模型是对感潮河段水位预报的新探索,该方法计算简便,适用性强.本文针对区间入流较大的飞云江感潮河段,提出采用水位分级㊁考虑退水段独立来进行水位演算,得到了较好的模拟精度.

　第2期王淑英,等:考虑水位分级和退水段独立的感潮河段双向波水位演算1　双向波水位演算模型

双向波水位演算模型的基本思路为:将感潮河段的洪水过程分离成洪水波和潮水波,假设洪水波和潮水波相互独立传播,洪水波从上游向下游演算,潮水波从下游向上游演算,两者在计算断面处线性叠加得到水位[6].模型的基本方程以水位为计算对象,由马斯京根流量演算方程转化而来.

联立河段水量平衡方程和槽蓄方程,采用上㊁下断面的水深比重因子x 表示河道平均水深,用曼宁公式表示河道流量,将时间取前差分后得到水位演算的基本方程[6]为:

H 2=C 0h 2+C 1h 1+C 2H 1(1)C 0=a 1Δt -2xL ⎺B 2L ⎺B (1-x )+a 2Δt ,C 1=a 1Δt +2xL ⎺B 2L ⎺B (1-x )+a 2Δt ,C 2=-a 2Δt +2L ⎺B (1-x )2L ⎺B (1-x )+a 2Δt 式中:⎺B 为河段平均河宽;L 为河段长度;h 和H 分别为上㊁下断面水深;下标1和2分别为时段初和时段末的相应值;a 1,a 2分别为上㊁下断面流量水深关系系数,可用⎺B

J /n 作为初值(J 为水面比降,n 为糙率),最终取值需率定;Δt 为计算时段.

考虑最简单的河道情况,将研究河段根据上㊁中㊁下3个断面分为2个河段,将计算断面设在中断面,上断面位于潮区界以上,主要受洪水作用,不受潮水顶托影响.假设研究河段无支流,且可忽略区间流量,则计算断面的水位[7]为:

H 上中,t +1=C 上0h 上,t +1+C 上1h 上,t +C 上2H 上中,t H 下中,t +1=C 下0h 下,t +1+C 下1h 下,t +C 下2H 下中,t H 中,t +1=β0+β1H 上中,t +1+β2H 下中,t +ìîíïïïï1(2)式中:H 上

中,t +1为上游洪水对计算断面水深的影响量;H 下中,t +1为下游潮水对计算断面水深的影响量;H 中,t +1为计算

断面水深,由H 上

中,t +1和H 下中,t +1线性组合得到;β0,β1,β2为叠加系数.

如果区间入流相对于干支流流量小很多,可忽略不计.但河段区间流域面积大到一定比例,区间来水就不可忽略.当有足够降雨资料时,区间入流过程Q 可利用流域水文模型(比如新安江模型)计算得到,则考虑旁侧区间入流情况下的水位演算模型的线性方程[8]为:

H 2=C 0h 2+C 1h 1+C 2H 1+C 3(3)

式中:C 3=(Q 区间,1+Q 区间,2)Δt 2L ⎺B (1-x )+a 2Δt . 因此,考虑旁侧区间流量后,计算断面的水位为:

H 上中,t +1=C 上0h 上,t +1+C 上1h 上,t +C 上2H 上中,t +C 上3H 下中,t +1=C 下0h 下,t +1+C 下1h 下,t +C 下2H 下中,t +C 下3H 中,t +1=β0+β1H 上中,t +1+β2H 下中,t +ìîíïïïï1(4) 双向波模型需要率定的参数主要有叠加系数β0,β1,β2,流量水深关系系数a 1和a 2,平均河宽⎺B ,水深比重因子x .叠加系数β0,β1,β2虽然敏感,但可以通过多元线性回归得到,一般水深比重因子x 取为0.5,a 1=a 2.平均河宽⎺B 和流量水深关系系数a 都与地形资料密切相关,在地形资料稀缺的情况下,需要根据河段实际情况率定.对于河床稳定㊁河宽随水深变化不大㊁且涨落水幅度不是很大的河流,假定⎺B

和a 为常数,可得到较好的计算结果.

2　应用实例

2.1　研究河段概况

飞云江位于浙江省南部,上游干流东出文成县珊溪镇始称飞云江,在瑞安市上望村入海,长198.7km,55