改進的河道洪水傳播法在遼寧中部地區的運用及對比分析

劉長君，劉佳

（遼寧省沈陽市水文局，遼寧沈陽110046）

改進的河道洪水傳播法在遼寧中部地區的運用及對比分析

劉長君，劉佳

（遼寧省沈陽市水文局，遼寧沈陽110046）

本文運用變動態存儲系數法動態計算不同河段洪水傳播時間，從而對傳統河道洪水傳播方法進行改進，并以遼中地區湯河（西支）流域為例，選取15場洪水，分析改進的河道洪水傳播法對流域洪水模擬精度的影響。研究結果表明：相比于傳統方法，改進的河道洪水傳播法更適合于湯河（西支）的洪水模擬，并在徑流深相對誤差、峰現時間誤差及次洪過程模擬吻合度上均有改善和提高。研究成果對于湯河（西支）流域及遼寧其他區域洪水模擬提供參考價值。

改進的河道洪水傳播方法；洪水傳播時間；次洪模擬精度；遼寧中部地區

引言

對于流域防洪預報預警而言，場次洪水模擬精度的好壞直接決定了流域水文預報預警的準確性和及時性。而對于次洪模擬，河道洪水傳播模擬計算的準確性尤為重要。傳統的河道洪水傳播方法大都采用馬斯京根河道洪水傳播方法，該方法由于原理簡單，計算較為簡便，一直被國內許多學者用于不同流域的洪水模擬，并取得一定的研究成果［1-5］。但傳統的馬斯京根河道洪水傳播方法將不同河段的洪水傳播時間設置為定值，認為不同河段洪水傳播時間是相同的，但是不同河段的洪水傳播時間會受到河段長度和坡度的影響，即受到河道洪水傳播速度的影響。隨著對這一科學問題的認識，許多科學家也開始開展對動態計算不同河段洪水傳播時間的研究。20世紀初，美國科學家提出變動態存儲系數法來動態計算不同河段的洪水傳播時間，通過水力學方法計算不同河段洪水傳播時間，由于原理簡單，逐步被國內外許多學者運用到流域的洪水模擬中。韓元元［6］運用變動態存儲系數法在貴州地區對洪水進行了模擬，研究表明變動態存儲系數法實現了貴州江河流域不同河段洪水傳播時間的動態計算，并使得流域次洪模擬精度大大提高。石莎［7］將變動態存儲系數法運用到浯溪口水利樞紐洪水模擬中，研究結果顯示該方法提高了浯溪口水利樞紐洪水模擬的精度。這些成果表明改進的河道洪水傳播方法可以提高流域洪水模擬精度，但是改進的河道洪水傳播方法在遼寧地區特別是在湯河（西支）流域運用成果較少，為此，本文引入變動態存儲系數法動態計算不同河段洪水傳播時間，從而改進傳統的河道洪水傳播方法，并結合湯河（西支）流域內實測10場洪水數據，定量分析改進的河道洪水傳播方法對湯河（西支）流域洪水模擬精度的影響。研究成果對于湯河（西支）流域洪水模擬以及遼寧其他流域洪水模擬具有參考價值。

1研究方法及資料準備

1.1研究區域概況

湯河（西支）為湯河左岸一級支流。河流發源于遼寧省遼陽縣吉洞峪滿族鄉禮備溝村，流經遼陽縣、遼陽市弓長嶺區，在遼陽弓長嶺區湯河鎮柳河湯村注入湯河。流域面積562km2，河流長度59km，河流平均比降2.93‰，多年平均年降水量756.5mm，多年平均年徑流深214.7mm，流域平均寬度為9.6km，河道彎曲系數為1.3，河流形狀系數為0.16，河網密度為0.4。1.2研究方法

本文選用新安江模型模擬湯河（西支）流域的產匯流過程，在河道洪水匯流計算時，改變傳統新安江模型運用馬斯京根法進行河道洪水傳播計算到流域出口，采用變動態存儲系數法動態計算流域內不同河段洪水傳播時間，對比分析河道洪水傳播方法改進前后對流域水文模擬精度的影響，基于湯河（西支）流域內郝家店水文站實測洪水數據，分別運用傳統的馬斯京根法和改進的河道洪水傳播方法進行河道洪水演算，對比湯河以上集水區域15場洪水模擬精度。新安江模型的原理詳見文獻［8］，本文重點介紹改進的河道洪水傳播方法。傳統河道洪水傳播方法主要基于河段水量平衡方程和槽蓄方程，2個方程的表達式為：

不同河段的水量平衡方程為：式中：I—時段初流入河段內的流量，m3/s；Q—時段末流出河段的流量，m3/s；W—不同河段內蓄水量，m3。

不同河段的槽蓄方程為：式中：Q′—河段內存儲的流量，m/s；K—不同河段的洪水傳播時間，h；其他變量含義同前。其中：式中：x—流量比重系數；其他變量含義同前。

本文采用變動態存儲系數法動態計算不同河段的洪水傳播時間，K值計算方程為：式中：L—不同河段的長度，m；Vc—不同河段的洪水波波速，m/s；其他變量含義同前。

對于河段橫斷面近似為寬矩形河段，不同河段洪水波傳播速度可采用Schu1ze提出的公式進行估算，計算方程為：式中：V—不同斷面河流的平均流速，m3/s；其他變量含義同前。

不同斷面的河流平均流速可采用Manning公式進行計算，計算方程為：式中：R—不同河道斷面水力半徑，m；i—不同河段的河道坡度；n—不同河段斷面的曼寧系數；其他變量含義同前。

1.3研究數據

本研究需要的數據主要為河段的地形數據，收集湯河以上流域河道地形數據。河段地形數據主要用來計算不同河段洪水傳播時間。此外為對比改進的河道洪水傳播方法對流域洪水模擬精度的影響，收集湯河（西支）流域郝家店水文站2000～2010年15場洪水數據，對比分析改進的洪水傳播方法對流域洪水模擬精度的影響。

2模型運用

基于改進的河道洪水傳播方法，選用湯河（西支）流域內郝家店水文站2000～2010年15場洪水數據，分別運用傳統河道洪水傳播法和改進的河道洪水傳播法模擬上述15場洪水，并和實測洪水流量進行對比，分析不同河道洪水傳播方法對湯河（西支）流域洪水模擬精度的影響。研究成果見表1。

表1為2種不同河道洪水傳播方法在湯河（西支）流域15場洪水模擬的精度對比分析結果，從表1中可以看出，2種河道洪水傳播方法在湯河（西支）流域的洪水模擬都具有一定的模擬精度，2種方法模擬的徑流深相對誤差均小于10%，模擬的次洪過程確定性系數達到0.6以上，均滿足流域洪水模擬精度規范要求。傳統的河道洪水傳播方法洪水模擬精度低于改進的河道洪水傳播方法模擬的洪水精度，從15場洪水模擬的徑流深相對誤差可以看出，改進后的河道洪水傳播方法相比于傳統河道洪水傳播方法，徑流深平均相對誤差減少5.23%，次洪過程模擬的確定性系數提高0.153，而另一個重要的指標洪峰出現時間誤差，改進的河道洪水傳播方法相比于傳統河道洪水傳播方法，將峰現時間誤差縮短0.53h。可見改進的河道洪水傳播方法提高了湯河（西支）流域洪水模擬的精度，這主要是因為改進的河道洪水傳播方法動態計算不同河段的洪水傳播時間，而傳統的河道洪水傳播方法未能考慮不同河段洪水傳播時間的差異性。綜上，改進的河道洪水傳播方法，提高了湯河（西支），流域洪水模擬的精度，可用于湯河（西支）流域的洪水模擬。

表1不同河道洪水傳播方法洪水模擬精度對比

3結論

本文引入變動態存儲系數法動態計算不同河段洪水傳播時間，從而對傳統河段洪水傳播方法進行改進，并結合流域內15場洪水數據，對比分析不同河道洪水傳播方法對研究流域洪水模擬精度的影響，研究取得以下結論：

（1）改進的河道洪水傳播方法提高了湯河（西支）流域洪水模擬精度，相比于傳統河道洪水傳播方法，洪水模擬精度中次洪徑流深相對誤差減少5.23%，次洪過程吻合度提高0.153，洪峰出現時間誤差縮短0.53h。

（2）改進的河道洪水傳播方法可用于湯河（西支）流域的洪水模擬。該方法值得在其他流域水文模擬中推廣，但改進的河道洪水傳播方法需要河道實測的地形數據，對缺少河道地形數據的區域次洪模擬存在局限性。

［1］賀清錄，邵明星，鞏楠，等.河道與城市防洪［J］.水利技術監督，2008（06）：42-43+64.

［2］李福仲，劉力真.郭家村水庫洪水預報調度系統研究［J］.水利技術監督，2008（02）：46-48.

［3］羅志遠，楊全明，吳剛.貴州省洪水特性及洪峰模數規律淺析［J］.水利規劃與設計，2009（02）：8-10+50.

［4］楊瑞恒.河道洪水傳播時間的預報方法［J］.水科學與工程技術，2012（06）：16-19.

［5］昂慧萍，王海玉.青弋江水陽江水系河道洪水傳播時間分析［J］.江淮水利科技，2006（04）：35-36.

［6］韓元元，吳昊.改進的新安江模型在貴州印江河流域的適用性及對比分析［J］.水資源與水工程學報，2015（03）：110-114.

［7］石莎，范子武，張銘，等.浯溪口水利樞紐潰壩洪水模擬［J］.水利水運工程學報，2013（06）：67-73.

［8］張乾，包為民，陳偉東，等.大坡嶺流域土地利用變化的徑流特征響應研究［J］.中國農村水利水電，2015（05）：49-52.

TV122

A

1008-1305（2016）03-0058-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.024

2016-04-01

劉長君（1971年—），男，工程師。