水利工程论文-钱塘江河口洪水特性及动床数值预报模型.doc

水利工程论文-钱塘江河口洪水特性及动床数值预报模型摘要：在分析钱塘江河口水文、地形及洪水位实测资料的基础上，得到了钱塘江河口段潮汐、径流、河床三者的非线性关系对河口段的洪水位有显著影响的规律，以此为基础建立了洪水预报的一维动床数值预报模型。模型复演了钱塘江河口一次典型的洪水位过程，并利用动床模型和定床模型的两种计算模式对各站洪水位进行了比较，两种模式计算得到的沿程洪水位可差0.32.0m，但动床模拟与实测过程十分吻合,表明在象钱塘江河口这样大冲大淤的洪水位预报中考虑动床冲淤过程是必要的。关键词：钱塘江河口洪水特性动床模型0前言钱塘江河口是一个冲积性河口(图1)，洪冲潮淤，年内基本平衡。每年汛期前4月份，如前期为枯水，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，即小流量高水位的现象在钱塘江河口非常多见，这一特点不同于其它河流，它给洪水预报提出了极高的要求。对于河床易冲易淤的钱塘江河口，洪水位预报的难点主要有二，第一是由于钱塘江河口河床地形受径流丰枯多变，洪水预报前期地形数据难以准确获得，一般每年4月、7月、11月份施测三次地形，而洪水一般多发生在6月中旬至7月中旬的一个月内，如4月至6月中旬上游雨量偏多或偏少，钱塘江河口就会发生较大幅度的冲淤变化，如仍采用4月份的江道地形预报6月中旬以后发生的洪水过程，会带来很大的误差；第二是必须考虑洪水过程中河床的冲淤变化，原因在于钱塘江河口由细粉沙组成，床沙中值粒径在0.020.04mm，泥沙起动流速0.50.7m/s，极易起动，致使河床在洪水期变化较快，一般历时35天的洪水可将前期7个月淤积的泥沙搬运至河口段的下游。这表明在钱塘江河口洪水预报中必须考虑河床的冲淤过程。图1钱塘江河口示意图Fig.1SketchmapofQiantangEstuary洪水预报的主要任务是根据河段上游的已知流量过程，预测下游沿程重要城镇的流量、流速及水位过程。洪水系长波，其运动规律可用圣维南方程组来描述。钱塘江河口段河床由细粉沙组成，易冲易淤，河床惯性较小，特别是在洪水期较短的时间内，河床冲刷剧烈，同一洪峰流量的洪水位可相差1m之多，这主要是由于在钱塘江河口段潮汐、径流、河床地形三者的非线性关系对河口段的洪水位有显著的影响。几十年来，科学工作者在分析钱塘江河口大量水文、潮汐及地形的实测资料的基础上，得到了影响河口洪水位的几种因素，并根据河口段潮流、泥沙运动与河床变形理论进行了数值预报模型的研究，取得了不少的研究成果12。但限于当时计算技术条件，对洪水前期的江道地形采用经验修正的方法得到，再用经验合轴相关曲线作闸口站洪水位预报，它的优点是方便快速，缺点是不能动态预报洪水位沿时空的变化过程。本文在前人工作的基础上，建立了一维动床数值预报模型，进行了钱塘江河口的一次典型洪水过程的数值预报，其速度和精度可满足预报要求，为实时预报奠定了基础。1钱塘江河口洪水位变化特性1.1钱塘江河口洪水特性钱塘江河口七堡以上河段最高水位受梅汛期洪水控制（仅个别年份由台风暴潮引起）。由于钱塘江河口具有潮大流急，河床冲淤幅度大、速度快的特点，使得该河段的洪水位变化规律既不同于无潮河流，也不同于冲淤变化较小的潮汐河流。具体地说，它除了与汛期洪水流量大小直接有关外，还受江道冲淤面貌、下游潮汐、河口下段尖山河湾主槽走向、长度及人类活动（包括新安江水库的兴建及治江围垦）等诸多因素控制。一般地，闸口洪水位（Z）可由闸口洪峰流量（Q）、闸口至盐官江道容积（V）、下游澉浦高潮位（ZZ）三者的非线性回归关系确定,由此建立经验预报合轴相关图2。1.2泥沙输移对洪水位影响钱塘江河口泥沙输移对沿程洪水位影响比较敏感。实测资料分析表明，在枯水大潮期间，盐官以下河段落潮含沙量大于涨潮含沙量，而盐官以上河段涨潮含沙量大于落潮，净泥沙输移是指向上游，从而造成钱塘江河口自上而下的淤积，导致该河段年内潮淤洪冲，年际间表现为丰水年冲刷，枯水年淤积的格局。泥沙输移的最终结果使闸口至盐官河段河床发生冲淤变化，进而影响行洪面积。该河段的冲淤面貌可用钱塘江河口沙坎高程及闸口至盐官河段7m下容积等指标表征，它们均可用闸口站低水位集中反映。从表1的几次洪水资料可以看出江道冲淤面貌对洪水位的影响起决定作用。比较1955年6月与1968年7月两次闸口洪水位，由于汛前江道面貌不同，1955年汛前江道冲刷，面积、容积均很大，汛前闸口断面低水位仅3.87m，沙坎高程2.1m，而1968年汛前遭遇枯水而淤积，江道面积、容积较小，仅2.68亿m3，闸口低水位高达6.14m，沙坎高程4.0m，尽管闸口洪水流量相差2倍多，但其最高水位非常接近，分别为9.07m和9.01m，出现小流量高水位的现象主要在于江道淤积所致。而1968年7月与1955年4月另一次洪水相比闸口洪峰流量相近，分别为12000m3/s和11000m3/s，但由于江道面貌不同，两者的洪水位差达2m之多。表1实测典型洪水比较Tab.1ComparisonofmeasuredtypicalfloodsintheQiantangriver年.月.日洪峰流量/m3.s-1闸口洪水位/m汛前闸口低水位/m河口沙坎高程/m澉浦高潮位/m闸口至盐官容积/亿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潮汐对河口洪水位的影响在钱塘江河口洪水演进中，下游澉浦潮汐大小对该河段洪水位起顶托作用，相同的江道条件与洪水条件下，潮汐大则洪水位高。如1994年6月18日与1995年6月25日两次洪水，上游富春江电站的洪峰流量基本相同，分别为10100m3/s和10600m3/s，洪水前闸口至盐官7m下容积也基本相同，均为4.0亿m3，但下游澉浦的高潮位不同，分别为5.15m、4.31m，差0.84m，而闸口的洪水位分别为8.1m、7.56m，两者相差0.54m之多。可见潮汐对洪水位影响比较明显。2动床数值预报模型的建立2.1基本控制方程及定解条件钱塘江河口经治江围垦后，河道已相对比较规则，可以用一维动床数学模型来描述水流运动规律，考虑到水体挟带的泥沙主要以细颗粒悬移质为主，河床冲淤也以悬移质起主要作用，因此本文在模型中也主要考虑悬移质泥沙，单一河道悬沙数学模型基本控制方程可以表述如下:水流连续方程(1)水流运动方程：(2)悬沙输移方程：(3)河床变形方程：(4)挟沙能力公式：（5）式中：x为河道里程，t为时间，Q为流量,B为河宽，Z为潮位，为断面过水面积，为谢才系数，R为断面水力半径，S为断面平均含沙量,S*为断面平均挟沙能力，、为泥沙冲淤系数，为泥沙沉降速度，为断面平均河底高程，为单位河段傍侧入流量。E为泥沙纵向扩散系数,s为泥沙干容重。将方程(1)(3)式按Preissmann四点偏心隐格式离散,方程(4)用一般的时间差分格式离散得到差分方程。限于篇幅，基本方程的定解条件及离散方程详见文献34。但象钱塘江之类的河口，在径流和潮流作用下形成往复水流，就流动方向而言，存在如图2的四种情况。(a)、(b)两种情形与单向流动没有什么区别，水流和含沙量计算方法也与单向河道相同；(c)、(d)两种情形与单向流动的差异在于水流和含沙量内边界提法不同，特别是(d)情形，计算河段的上、下边界不需要含沙量边界条件，其计算边界条件应在停滞点(Q0)所在断面给定水流和含沙量的内边界条件。对于(c)不需给含沙量内边界条件，只要将河段分成两单向河段处理即可。下面重点说明(d)情况的水流、含沙量内边界条件如何给定。图2潮流往复流动的四种情况Fig.2Sketchofthetidalflow在水流运动方程中的阻力项已作了单向流动的假定，正、负两种方向的流动阻力系数不等，在包含正、负二向流动的河段中，应将二向流动河段分别处理。假定滞流点(k0)在t内位置固定不变，mk和kn两段分别可用Preissmann格式离散得离散方程，其式与在mn断面直接离散得到的离散方程的形式区别仅在于用Xmn/2代替其中的。根