运用水力、水文学方法演算东荆河洪水

【摘 要】东荆河全长173公里,长接汉江下入长江,既是汉江唯一的自然分洪道,约分泄汉江下游秋季1/4的洪水,也是长江夏季洪水的分蓄河道.东荆河下游夏秋两季洪水频繁发生,如何充分利用汉江干流实时监测洪水水位对东荆河下游洪水进推演预报,非常有必要.本文对此作了探讨,运用水利学和水文学方法作出了一些分析计算,供大家参考.

【关 键 词】东荆河；防洪；研究

一、东荆河概况

1、东荆河河道概况

东荆河源头龙头拐至中革岭为上游,河长1m,河床宽一般300～500m,最宽达1500m；中革岭以下为下游,河长56km,河床宽一般3500～4000m,最宽达7000m.河道两侧滩地宽窄不一,在迎流顶冲堤段,大都基本无滩.

2、东荆河洪水特性

东荆河高水位多出现在7～10月,陶朱埠实测最高水位42.26m（冻结吴淞,1964.10.9）、潜江站实测历年最高水位为42.09m（冻结吴淞,1983.10.10）；低水位多出现在12月至次年3月.

东荆河洪水来自汉江干流,东荆河潜江站实测历年最大流量为5340m3/s（1934.7.6）,较大洪水的年份还有1937年的5150m3/s、1964年的5060m3/s、1983年的4880m3/s、1935年的4860m3/s,实测最小流量为0（断流）.

二、水力学方法演算东荆河洪水

1、基本原理

用槽蓄增量关系求解圣维南方程组模拟洪水演进的方法,是将圣维南基本微分方程组在△t时段简化为水量平衡方程式和动力方程式后,根据水量平衡方程式和动力方程式可以分别计算河段槽蓄增量：一是根据水量平衡方程式可计算槽蓄增量,二是根据时段初、末的两个动力方程式也可计算槽蓄增量.由于两种方法计算的河段槽蓄增量应相等,因此,这一发现就为水力学方法求解圣维南方程组模拟洪水演进提供了一种新的、可靠的方法.

用槽蓄增量关系求解圣维南方程组模拟洪水演进的方法,属于水力学方法范畴.该方法既与水文学方法和现行的水力学方法有相似的地方,也有不同的地方.

与水文学方法相似的地方是都涉及到了河段槽蓄内容；不同的是水文学方法如“马斯京根法”是将动力方程式近似变为蓄泄方程式后与水量平衡方程式联解,而该方法是直接将水量平衡方程式与动力方程式联解.

与现行的水力学方法相比,相同之处是都涉及到了需要河道地形资料和依据水文资料率定河段糙率；不同的是,该方法将基本微分方程在时段简化为水量平衡方程式和时段初、末的两个动力方程式后联解.即：

将圣维南基本微分方程组（即水流连续方程（不计区间流量）⑴和水流运动方程⑵）在△t时段简化为水量平衡方程式⑶、动力方程式⑷和动力方程式⑸：

利用同一河段中的上、下游河道横断面资料,检测设某一级差后,先计算测站水位与过水断面面积W、湿周X、水力半径R,然后计算出河段（nq）2值,即（）2,将河段（nq）2累计就可以点绘出“控制曲线”.

图解法是根据数组点绘成河段控制曲线图查算水位,第一步是按下游站水位查出对应的值,第二步是加上河段（nq）2值得出新的,第三步是按新的值查出对应的上游站水位；

计算机求解法是按图解法的基本原理,在数组中通过插补计算完成求解上游站水位的工作.由于水位级差越小,数组就越多,插补计算的误差就越小,因此,本项目水位级差取0.1m.

2、划分计算河段及河床边界处理

根据东荆河的实际情况,主河段划分了17个计算河段,计100个子河段.

⑴三合垸（即白斧池0+000）～大垸子闸（1+675）河段只有1个子河段；三合垸（即白斧池）水位根据螺山、汉口水位相关计算式求出.

⑵大垸子闸（1+675）～潜江站（162+358）共计99个河段均采用洪水演进计算方法推求上游站水位.

次河段天合垸南支划分了2个计算河段,计12个子河段.

黄家口（0+000）～长河口（13+290）共9个计算河段,均采用洪水演进计算方法推求上游站水位.

次河段联合大垸北2支划分了3个计算河段,计22个子河段.

石山港闸（0+000）～杨林尾下游（23+704）共计22个计算河段,均采用洪水演进计算方法推求上游站水位；

次河段联合大垸北1支划分了1个计算河段,计8个子河段.即：复兴闸上游（0+000）～杨林尾（8+700）,采用洪水演进计算方法推求上游站水位.

3、民垸破口行洪流量计算

民垸破口行洪流量按宽顶堰流计算：

式中：δn为淹没系数；b为口门宽度；H0为上游站水位与底槛高程的差值；ξ为侧收缩系数取0.8；m为流量系数取0.385.

4、通过2005年10月、2011年9月、1983年9月洪水资料核算河段糙率

按照上述用槽蓄增量关系求解圣维南方程组模拟洪水演进的方法,首先检测定河段糙率系数,当模拟计算的上游站水位过程线与实测水位过程线基本吻合时,检测定的河段糙率系数即为所求,核算各河段.

三、水文学方法演算东荆河洪水

1、基本原理

河道相应洪峰水位（或流量）的预报方程一般采用多元一次方程式：

3、可替代下游测站同时流量的参数

⑴可用下游站在上游站出现洪峰时的水位涨差替代

由于水位站缺乏流量观测数据,因此应寻找可替代下游水位站同时流量的参变数.目前,常用水位涨差的变化反映流量的变化,即用下游站同时水位涨差△Z下b反映同时流量下b的变化：

4、受下游顶托水位影响的河道相应洪峰水位预报的参数

受下游顶托水位影响时,基本方程式（24）、（25）应增加反映下游顶托水位影响的参数.

将式（24）写成如下形式：

四、应用效果

2010年7月,根据湖北省防办要求,当沙洋站出现洪峰（即2010年7月27日18时,洪峰水位42.01m）后,立即采用对汉川洪峰水位预报的多元一次方程式计算,得出汉川洪峰水位为31.96m,比实际洪峰水位仅高0.02m.当时为汉江下游洪水调度起到了有力的技术支撑作用.

2011年9月21日15时,沙洋出现洪峰水位42.45m,采用上述多元一次预报方程式对汉川洪峰水位进行验算汉川洪峰水位为30.58m,比实际洪峰水位仅高0.03m.可以说这一预报方法在同类领域达到领先水平.

在2011年防御汉江、东荆河洪水中,省防汛抗旱指挥部汉江防办根据本项目的初步研究成果,在2011年9月21日2时《第六期洪水预报》中,分别预报仙桃市杨林尾站于9月23日12时洪峰水位将达到32.40m,洪湖市白庙闸洪峰水位将达到33.71m、中岭闸洪峰水位将达到32.93m.实际洪峰水位分别是杨林尾32.39m、白庙闸33.54m、中岭闸33.00m.

由于洪水预报及时、准确,仙桃市防汛抗旱指挥部重点加强了对东荆河堤防、联合大垸的防守,洪湖市东荆河防汛指挥部加强了对白庙至中革岭堤段的防守.起到了既确保东荆河大堤防洪安全、又减免联合大垸淹没损失（达2.4亿元以上）的作用.

五、结语

通过本文分析计算,一是从理论上推导得出了河道短期水文预报选用参数的一般关系式和三种替代下游站实测同时流量Q下b以及反映下游洪水顶托参数的取值方法,经实践证明具有良好的推广应用价值.二是建立了预报汉川洪峰水位的关系式,既提高了汉川水位因长江洪水过低预报精度低的难题,又从水文学角度说明了汉川洪峰水位不受东荆河民垸是否破口行洪的影响.三是推广应用《用槽蓄增量关系联解圣维南方程组模拟洪水演进的方法》,东荆河短期洪水预报既有水文学的方法又有水力学的方法,可起到为确保东荆河防洪安全发挥有力的技术支撑作用.四是通过演算杨林尾和北口闸洪峰水位变化对上游河段的影响,从而清楚了东荆河民垸破口与否不会影响到河口分流；也清楚了东荆河大堤安全需要及时调度运用河段内民垸破口行洪.