外洲水文站水位還現(xiàn)研究

劉 慶，錢 堃，李友輝，凌 哲

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；3. 江蘇省水利工程規(guī)劃辦公室，江蘇 南京 210029)

贛江是鄱陽湖水系的第一大河，也是長江八大支流之一[1]。外洲水文站是贛江干流下游主要控制測站，具有從建站至今共60多年的水位、流量等觀測資料。外洲站地處贛江尾閭河段，水位除受鄱陽湖水位頂托影響外，河道地形條件是另一個(gè)重要的影響因素。受河道采砂等因素的影響，贛江下游及尾閭河道自2002年以后逐年下切，且趨勢明顯，現(xiàn)狀的河道條件與前期的河道條件差異較大。外洲站實(shí)測的水位數(shù)據(jù)與當(dāng)年的河道地形是匹配的，因此，為使外洲站實(shí)測水位與現(xiàn)狀河道地形相匹配，本文通過構(gòu)建贛江尾閭一維樹狀河網(wǎng)計(jì)算模型對(duì)外洲站水位進(jìn)行還現(xiàn)研究，將外洲水位還現(xiàn)到現(xiàn)狀河道地形條件，為贛江下游水利工程的設(shè)計(jì)、施工及應(yīng)用提供參考。

1 外洲水文站斷面變化分析

將外洲站不同年份實(shí)測大斷面數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在同一張圖上，如圖1所示。從圖中可知，贛江下游外洲站斷面自2002年以后河道呈逐年下切趨勢，趨勢非常明顯，但是2012年以后，隨著上游來沙的相對(duì)平穩(wěn)、對(duì)采砂的嚴(yán)格控制以及水文周期性的一般沖刷與回淤，河道的沖淤變化較為平緩和趨穩(wěn)。因此，結(jié)合現(xiàn)有地形資料情況，本文將2013年的河道地形條件作為“現(xiàn)狀”河道地形條件，將外洲水位還現(xiàn)到“現(xiàn)狀”河道地形條件。

2 模型建立及計(jì)算

2.1 模型建立

根據(jù)河道地形及水流條件，對(duì)外洲以下贛江尾閭河段構(gòu)建一維樹狀河網(wǎng)水利計(jì)算模型。

2.1.1計(jì)算原理及方程

河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)基本方程采用圣維南方程組，它由連續(xù)方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)力方程：

(2)

式中，x—距離，m；t—時(shí)間，s；A—過水?dāng)嗝娣e，m2；Q—斷面流量，m3/s；Z—水位，m；α—?jiǎng)恿啃拚禂?shù)；K—流量模數(shù)；qL—旁側(cè)入流，m3/s，入流為正，出流為負(fù)；vx—入流沿水流方向的速度，m/s，若旁側(cè)入流垂直于主流，則vx=0。

計(jì)算思路：先將各單一河道劃分為若干個(gè)計(jì)算斷面，在計(jì)算斷面上對(duì)圣維南方程組進(jìn)行有限差分運(yùn)算，得到單一河道方程—即以各斷面水位和流量為自變量的差分方程組，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接條件輔以邊界條件形成封閉的各節(jié)點(diǎn)水位方程，求解此方程組得到各節(jié)點(diǎn)水位，再將各節(jié)點(diǎn)水位回代到單一河道方程，最終得到各單一河道各斷面的水位及流量。采用的差分方法為四點(diǎn)線性隱式差分法，節(jié)點(diǎn)處滿足的條件是能量守恒和質(zhì)量守恒。

圖1 外洲站不同時(shí)期實(shí)測大斷面比較圖

2.1.2模型研究范圍

模型范圍為：外洲水文站以下，贛江尾閭各支水位站(主支吳城站、南支滁槎站、中支樓前站、北支蔣埠站)以上區(qū)域。河道縱橫斷面資料采用2013年實(shí)測的縱橫斷面資料。

2.1.3邊界條件

上邊界為外洲站逐日平均流量，下邊界為吳城、滁槎、樓前、蔣埠水位站逐日平均水位。由于尾閭測站水位與鄱陽湖水位的變化趨勢基本一致，且考慮各支汊出口“門檻”河段對(duì)低枯水位的控制作用，河床高程對(duì)尾閭水位基本不起控制作用。

2.2 模型參數(shù)率定及驗(yàn)證

2.2.1模型糙率率定

天然河道的糙率與河道形態(tài)、床面粗糙程度、植被的生長狀況、河道的彎曲情況以及水位高低等多種因素有關(guān)。因其復(fù)雜多變，在水面線計(jì)算中，可由實(shí)測水位、流量和斷面資料對(duì)模型糙率進(jìn)行率定。本文根據(jù)贛江尾閭各水文(位)站實(shí)測水文數(shù)據(jù)對(duì)尾閭河段綜合糙率進(jìn)行率定，并結(jié)合“天然河道糙率表”對(duì)尾閭河段綜合糙率進(jìn)行了適當(dāng)修正，以此確定模型糙率。

2.2.2模型驗(yàn)證

贛江尾閭一維河網(wǎng)計(jì)算模型根據(jù)2013年外洲站實(shí)測水位過程進(jìn)行驗(yàn)證。模型驗(yàn)證計(jì)算的邊界條件為：外洲站2013年逐日平均流量；主支吳城站、南支滁槎站、中支樓前站、北支蔣埠站2013年逐日平均水位。通過模型計(jì)算，可求得外洲站2013年逐日平均水位，該計(jì)算值與2013年實(shí)測水位吻合較好，年均水位差值小于0.01m，沒有系統(tǒng)偏差，符合數(shù)模計(jì)算的規(guī)范要求。

2.3 模型計(jì)算結(jié)果

通過模型計(jì)算得到外洲站的逐日平均水位，以此水位作為外洲還現(xiàn)后的水位。外洲站實(shí)測、還現(xiàn)水位成果分別見表1—2，還現(xiàn)水位與實(shí)測水位差值情況見表3，差值變化情況如圖2所示。

表1 外洲站歷年實(shí)測月均水位成果表(水位高程黃海 ) 單位：m

表2 外洲站還現(xiàn)后月均水位成果表(水位高程黃海 ) 單位：m

表3 外洲還現(xiàn)水位與實(shí)測水位差值成果表(水位高程黃海) 單位：m

圖2 外洲歷年還現(xiàn)水位差值及年均流量變化圖

通過以上計(jì)算結(jié)果可知，外洲站還現(xiàn)后多年平均水位為14.07m，較實(shí)測多年平均水位15.52m，降低了1.45m。由圖2可知，20世紀(jì)90年代以前，外洲站還現(xiàn)前、后年均水位差值年際變化劇烈，這與年來水量關(guān)系密切，表現(xiàn)為年均流量較大時(shí)，還現(xiàn)前后差值小，年均流量小時(shí)還現(xiàn)前后差值大；1992年以后至2013年還現(xiàn)水位差值基本上呈逐漸減少的趨勢；至2013年后還現(xiàn)前后水位差值基本保持穩(wěn)定，這是因?yàn)榻鼛啄晡查偤拥罌_淤變化較為平緩和趨穩(wěn)。橫向來看，枯水期還現(xiàn)水位差值較大，而汛期還現(xiàn)水位差值較小，還現(xiàn)后月均水位變化與月均徑流變化趨勢基本一致。

3 結(jié)論

(1)贛江下游及尾閭河道自2002年以后逐年下切，且趨勢明顯，現(xiàn)狀的河道條件與前期的河道條件差異較大，外洲站實(shí)測水位與現(xiàn)狀河道地形條件不匹配。

(2)通過構(gòu)建贛江尾閭一維樹狀河網(wǎng)計(jì)算模型對(duì)外洲站水位進(jìn)行還現(xiàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)外洲站還現(xiàn)后多年平均水位較實(shí)測降低了1.45m，本次研究成果對(duì)贛江下游水利工程的設(shè)計(jì)、施工具有一定的參考意義。