漢江下游沙洋至漢口河段槽蓄量計算分析

陳望春 鄭 靜 張 濤 陳瑜彬(.浙江省寧波市水文站，浙江 寧波 3500；.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 43000)

漢江下游沙洋至漢口河段槽蓄量計算分析

陳望春1鄭 靜2張 濤2陳瑜彬2(1.浙江省寧波市水文站，浙江 寧波 315020；2.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

分別采用斷面法和DEM方法推求漢江下游沙洋至河口河段河道槽蓄量，并對兩種計算方法的結果進行了對比分析，認為DEM方法更優。在此基礎上，選取1983～2010年23場洪水不同時刻漢江下游重要水文站(水位站)實測水面線資料，基于2005年實測河道地形數據，采用DEM方法進行河段槽蓄量計算，分析比較歷史洪水不同水面線下河段槽蓄量變化，得到3點初步認識，可為漢江中下游防洪和應急調度工作提供參考。

斷面法；DEM法；槽蓄量計算；槽蓄關系；漢江下游

槽蓄量計算是河道演變分析、流域開發、防洪調度及河道治理的一項重要工作[1]。漢江中下游地區是漢江防洪的重點，也是長江中下游防洪重點區之一，區內分蓄洪工程在漢江以及長江的防洪工作中承擔著重要任務[2]。分析區內河道槽蓄關系，摸清各重要河段過流能力，掌握河道安全泄量，有利于合理安排分蓄洪工作，降低洪水風險，保障人民生命財產安全，減少洪水災害帶來的損失。本文采用DEM方法，基于2005年實測河道地形數據，分析比較1998～2010年典型洪水不同水面線下河段槽蓄量變化，以期為漢江中下游的防洪調度提供參考。

1 研究區概況及資料來源

1.1 研究區概況

本文選取沙洋至漢江河口河段為研究河段，自上游向下游共分為沙洋-東荊河分流口、東荊河分流口-仙桃、仙桃-漢川、漢川-漢江河口4個河段，是漢江中下游防洪的重點河段。全河段及沙洋站附近建有東荊河、大柴湖、鄧家湖、小江湖等14個臨時分蓄洪民垸和杜家臺分洪閘等分蓄洪工程。沙洋至漢江河口河段位置如圖1所示。

圖1 沙洋至漢江河口河段位置示意

1.2 資料來源

河道斷面資料為漢江沙洋至漢江河口河段1∶10 000河道地形圖(2005年測繪)，共150張。沙洋至漢江河口河段全長282.1 km，按照《2005年漢江中下游河道地形觀測技術大綱》的規定，全河段共布置259個觀測斷面，平均斷面密度為0.82～1.09個/km。

為了確保數據質量，本文基于ArcGIS平臺對收集到的河道地形圖進行了拼接、等高線閉合查錯修改、實測點與控制點高程查錯檢查以及河堤線界定等處理工作。通過圖形配準、矢量化、接邊處理、屬性編輯和高程修正，最后得到適合DEM方法計算河道槽蓄量的基礎數據。

2 計算方法

2.1 斷面法

斷面法據河道水下實測地形切割斷面，按幾何方法直接計算河道泥沙的沖淤體積，即由某一水位Zi下的上下斷面過水面積Ai、Ai+1計算斷面間相應水位下的河道槽蓄量[3]

(1)

式中Li為斷面間距，m；Ai、Ai+1分別為上下斷面面積，m2。

整個河段槽蓄量則為

V=∑Vi

(2)

近年來，一些水力學模型的出現，如Mike-11和SMS(Surface-water Modeling System)等，為河道槽蓄量的計算提供了便利。本文在Mike-11水力學模型環境下，利用已建立的漢江中下游丹江口至漢江河口河段水力學模型，通過對各河段不同水面線下棱柱體水量計算，求得各河段斷面水位與河段槽蓄量的關系。

2.2 DEM法

DEM(數字高程模型)是地形表面的一種數學(或數字)模型。對地形表面進行表達的各種處理可稱為表面重建或表面建模，重建的表面通常可認為是DEM表面。

采用DEM方法計算槽蓄量主要是利用ArcGIS中的3D分析工具(Cut fill)進行計算。主要過程包括河道地形矢量化、河道三維表面生成以及槽蓄量計算[4～5]。

(1) 河道地形矢量化。利用河道地形實測資料,對地形圖中高程點、等高線、坎線、堤線進行矢量化，并進行圖形配準、接邊處理、屬性編輯以及高程修正, 將各矢量化圖形要素分別轉換為獨立的ArcGIS 可讀取的圖層文件。

(2) 河道三維表面生成。基于矢量化的河道地圖層文件，采用ArcGIS 軟件提供的三維分析工具“Create TIN From Feature”創建河道三維表面，并存儲或轉換為TIN(不規則三角網) 和Lattice(柵格)兩種數據格式文件，供槽蓄量計算所用。

(3) 槽蓄量計算。根據所創建河道三維表面，調用ArcGIS 軟件提供的三維分析工具“Cut Fill”實現河道槽蓄量計算。其中，Cut Fill可實現對由兩個Lattice(原始表面和變化后的表面)表達的區域計算變化的面積和體積。本文利用自編二次開發程序完成DEM法量取河段槽蓄曲線關系成果。

2.3 槽蓄量計算結果對比分析

兩種方法計算的各河段槽蓄曲線見圖2。

沙洋至東荊河分流口河段由于灘地地形沿程的變化、起伏較大，彎道甚多，切割斷面較少(0.88個/km)，斷面的代表性降低，故斷面法計算結果的精度下降，計算結果普遍偏小。由圖2(a)可知，與DEM方法相比，斷面法求得的槽蓄量最大偏小3.17億m3，誤差較大。東荊河分流口至仙桃河段和仙桃至漢川河段，由于漢江河道越向下游河道越束窄，斷面法計算結果比DEM方法的計算結果偏小1.116億～0.376億m3，偏離程度逐步降低(見圖2(b)和圖2(c))。漢江下游漢川至漢江河口河段由于河床較為順直(與整個河段相比)，沿程變化較為均勻，切割斷面的代表性強，兩種方法比較蓄量最大差距降至0.0577億m3以下，其計算結果較為一致(圖2(d))。

圖2 漢江中下游各河段槽蓄曲線

斷面法利用切割的斷面進行水量計算，只利用了部分斷面信息，而基于GIS的計算方法則是利用河道三維表面進行計算，利用了整個地形圖的全部地形信息。與DEM方法相比，斷面法中斷面與斷面間距的選擇有時缺乏代表性，對一些沖淤變化極其劇烈的局部河段，尤其對于蜿蜒性或分汊性河道(如沙洋-東荊河分流口河段)，斷面的選擇和切取斷面的疏密對計算精度起著決定性作用，但是由于工作量的限制，切取斷面往往很難達到足夠高的精度。而基于DEM的沖淤計算方法，數據采集的精度和對測圖的利用效率遠高于斷面地形法，具有強大的三維表達和空間分析能力，且整個計算過程(包括地圖數字化、三維表面生成及槽蓄量計算分析)可在一個系統內完成，工作效率大大提高。

經過上述分析比較，認為采用DEM法計算河槽蓄量更為準確，因此本文選取DEM法對洪水期研究河段的槽蓄量變化進行分析。

表1 典型洪水沙洋至漢江河口河段槽蓄量增量統計

3 典型洪水河段槽蓄量計算

為分析洪水期河段槽蓄量變化，選取1983～2010年23場洪水不同時刻漢江中下游沙洋、澤口、東荊河分流口、岳口、仙桃、漢川、新溝、漢口水文站(水位站)實測水面線資料，基于2005年實測河道地形資料，進行河段槽蓄量計算，以分析比較不同水面線下河段槽蓄量變化，典型洪水包括1983，1984，1998，2003，2005年以及2010年大洪水資料。

在每場洪水中選取起漲時刻、洪峰時刻和結束時刻的實測水面線。起漲時刻選取沙洋站水位開始起漲時水面線資料。洪峰時刻選取漢江下游控制站仙桃站出現洪峰水位時水面線資料(連續洪水是仙桃站水位峰谷相位皆選)。結束時刻選取沙洋至漢江河口段干流水位退至穩定，全線流量很小時的水面線。槽蓄量計算采用DEM方法，典型洪水沙洋至漢江河口河段槽蓄量增量見表1。

4 結 論

通過對典型洪水不同時刻水面線下漢江沙洋至漢江河口槽蓄量統計值的計算分析，得到以下3點初步認識。

(1) 當沙洋以下河段處于起漲前流量很小穩定流狀態，漢口同時水位在16.8～22.6 m較低水位時，漢江沙洋至漢江河口河段初始槽蓄量在7.07億～7.57億m3左右。

(2) 1983年10月、2003年9月和2005年10月漢江洪水，沙洋站洪峰流量分別為21 600，13 700 m3/s和14 000 m3/s,從沙洋水位起漲至仙桃站出現洪峰水位時，沙洋至漢江河口河段槽蓄量增量(反映整個河段調蓄能力)分別為16.0億，14.53億m3和13.55億m3。以上3場洪水，當時漢口水位均低于25.0 m。1983年10月上游來水數量級最大，仙桃現峰時河段槽蓄量也最大，達到 26.98億m3；2005年10月洪水，仙桃現峰時漢口同時水位較低，在21.92 m左右，仙桃至漢江河口水面比降比2003年9月洪水大，仙桃現峰時河段槽蓄量比2003年9月洪水小1億m3左右(見表1)。

(3) 1983年7月洪水、1998年8月洪水和2010年7月洪水，由于起漲時刻漢口水位均在26.5 m以上，仙桃以下河段水位受漢口水位壅水影響越向下游越重，起漲時刻整個河段初始槽蓄量達11億～12億m3，河道底水量大，當仙桃出現洪峰時河道調蓄能力較漢口水位低時要小；類如1998年7月中旬至8月，隨著漢口水位不斷攀升，當漢江沙洋以上出現連續洪水時，每次洪水槽蓄量增量越來越小，河段調蓄能力逐步減弱。

[1] 陳立,明宗富. 河流動力學[M].武漢：武漢大學出版社，2011.

[2] 長江水利委員會水文局. 長江流域洪水預報方案匯編(第三冊)漢江流域[R].武漢：長江水利委員會水文局，2005.

[3] 王強. GIS在河道沖淤及河床演變分析中的應用[D].武漢：武漢大學, 2004.

[4] 肖志遠,郭海晉,徐德龍，等. 城陵磯至螺山河段槽蓄量及沖淤變化計算[J].人民長江，2003(1).

[5] 胡紅兵,胡光道. 基于DEM的河道演變可視化表達和定量分析[J].長江科學院院報，2008(4).

(編輯：陳紫薇)

1006-0081(2017)01-0041-04

2016-05-30

陳望春，男，浙江省寧波市水文站，高級工程師.

陳瑜彬,男，長江水利委員會水文局，高級工程師。E-mail:chenby@cjh.com.cn.

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