水利工程論文-錢塘江河口洪水特性及動床數值預報模型摘要：在分析錢塘江河口水文、地形及洪水位實測資料的基礎上，得到了錢塘江河口段潮汐、徑流、河床三者的非線性關系對河口段的洪水位有顯著影響的規律，以此為基礎建立了洪水預報的一維動床數值預報模型。模型復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算模式對各站洪水位進行了比較，兩種模式計算得到的沿程洪水位可差0.32.0m，但動床模擬與實測過程十分吻合,表明在象錢塘江河口這樣大沖大淤的洪水位預報中考慮動床沖淤過程是必要的。關鍵詞：錢塘江河口洪水特性動床模型0前言錢塘江河口是一個沖積性河口(圖1)，洪沖潮淤，年內基本平衡。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象在錢塘江河口非常多見，這一特點不同于其它河流，它給洪水預報提出了極高的要求。對于河床易沖易淤的錢塘江河口，洪水位預報的難點主要有二，第一是由于錢塘江河口河床地形受徑流豐枯多變，洪水預報前期地形數據難以準確獲得，一般每年4月、7月、11月份施測三次地形，而洪水一般多發生在6月中旬至7月中旬的一個月內，如4月至6月中旬上游雨量偏多或偏少，錢塘江河口就會發生較大幅度的沖淤變化，如仍采用4月份的江道地形預報6月中旬以后發生的洪水過程，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35天的洪水可將前期7個月淤積的泥沙搬運至河口段的下游。這表明在錢塘江河口洪水預報中必須考慮河床的沖淤過程。圖1錢塘江河口示意圖Fig.1SketchmapofQiantangEstuary洪水預報的主要任務是根據河段上游的已知流量過程，預測下游沿程重要城鎮的流量、流速及水位過程。洪水系長波，其運動規律可用圣維南方程組來描述。錢塘江河口段河床由細粉沙組成，易沖易淤，河床慣性較小，特別是在洪水期較短的時間內，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系對河口段的洪水位有顯著的影響。幾十年來，科學工作者在分析錢塘江河口大量水文、潮汐及地形的實測資料的基礎上，得到了影響河口洪水位的幾種因素，并根據河口段潮流、泥沙運動與河床變形理論進行了數值預報模型的研究，取得了不少的研究成果12。但限于當時計算技術條件，對洪水前期的江道地形采用經驗修正的方法得到，再用經驗合軸相關曲線作閘口站洪水位預報，它的優點是方便快速，缺點是不能動態預報洪水位沿時空的變化過程。本文在前人工作的基礎上，建立了一維動床數值預報模型，進行了錢塘江河口的一次典型洪水過程的數值預報，其速度和精度可滿足預報要求，為實時預報奠定了基礎。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（僅個別年份由臺風暴潮引起）。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，使得該河段的洪水位變化規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系確定,由此建立經驗預報合軸相關圖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，導致該河段年內潮淤洪沖，年際間表現為豐水年沖刷，枯水年淤積的格局。泥沙輸移的最終結果使閘口至鹽官河段河床發生沖淤變化，進而影響行洪面積。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，出現小流量高水位的現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2m之多。表1實測典型洪水比較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。可見潮汐對洪水位影響比較明顯。2動床數值預報模型的建立2.1基本控制方程及定解條件錢塘江河口經治江圍墾后，河道已相對比較規則，可以用一維動床數學模型來描述水流運動規律，考慮到水體挾帶的泥沙主要以細顆粒懸移質為主，河床沖淤也以懸移質起主要作用，因此本文在模型中也主要考慮懸移質泥沙，單一河道懸沙數學模型基本控制方程可以表述如下:水流連續方程(1)水流運動方程：(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，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，為泥沙沉降速度，為斷面平均河底高程，為單位河段傍側入流量。E為泥沙縱向擴散系數,s為泥沙干容重。將方程(1)(3)式按Preissmann四點偏心隱格式離散,方程(4)用一般的時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34。但象錢塘江之類的河口，在徑流和潮流作用下形成往復水流，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別，水流和含沙量計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邊界提法不同，特別是(d)情形，計算河段的上、下邊界不需要含沙量邊界條件，其計算邊界條件應在停滯點(Q0)所在斷面給定水流和含沙量的內邊界條件。對于(c)不需給含沙量內邊界條件，只要將河段分成兩單向河段處理即可。下面重點說明(d)情況的水流、含沙量內邊界條件如何給定。圖2潮流往復流動的四種情況Fig.2Sketchofthetidalflow在水流運動方程中的阻力項已作了單向流動的假定，正、負兩種方向的流動阻力系數不等，在包含正、負二向流動的河段中，應將二向流動河段分別處理。假定滯流點(k0)在t內位置固定不變，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別僅在于用Xmn/2代替其中的。根