钱塘江河口洪水特性及动床数值预报模型.doc

钱塘江河口洪水特性及动床数值预报模型　　摘要：在分析钱塘江河口水文、地形及洪水位实测资料的根底上，得到了钱塘江河口段潮汐、径流、河床三者的非线性关系对河口段的洪水位有显著影响的规律，以此为根底建立了洪水预报的一维动床数值预报模型模型复演了钱塘江河口一次典型的洪水位过程，并利用动床模型和定床模型的两种计算形式对各站洪水位进展了比拟，两种形式计算得到的沿程洪水位可差0.3～2.0，但动床模拟与实测过程非常吻合,说明在象钱塘江河口这样大冲大淤的洪水位预报中考虑动床冲淤过程是必要的　　关键词：钱塘江河口洪水特性动床模型　　0前言　　钱塘江河口是一个冲积性河口(图1)，洪冲潮淤，年内根本平衡每年汛期前4月份，如前期为枯水，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，即小流量高水位的现象在钱塘江河口非常多见，这一特点不同于其它河流，它给洪水预报提出了极高的要求对于河床易冲易淤的钱塘江河口，洪水位预报的难点主要有二，第一是由于钱塘江河口河床地形受径流丰枯多变，洪水预报前期地形数据难以准确获得，一般每年4月、7月、11月份施测三次地形，而洪水一般多发生在6月中旬至7月中旬的一个月内，如4月至6月中旬上游雨量偏多或偏少，钱塘江河口就会发生较大幅度的冲淤变化，如仍采用4月份的江道地形预报6月中旬以后发生的洪水过程，会带来很大的误差；第二是必须考虑洪水过程中河床的冲淤变化，原因在于钱塘江河口由细粉沙组成，床沙中值粒径在0.02～0.04，泥沙起动流速0.5～0.7/s，极易起动，致使河床在洪水期变化较快，一般历时3～5天的洪水可将前期7个月淤积的泥沙搬运至河口段的下游。

这说明在钱塘江河口洪水预报中必须考虑河床的冲淤过程　　图1钱塘江河口示意图　　Fig.1SkethapfQiantangEstuary　　洪水预报的主要任务是根据河段上游的流量过程，预测下游沿程重要城镇的流量、流速及水位过程洪水系长波，其运动规律可用圣维南方程组来描绘钱塘江河口段河床由细粉沙组成，易冲易淤，河床惯性较小，特别是在洪水期较短的时间内，河床冲刷剧烈，同一洪峰流量的洪水位可相差1之多，这主要是由于在钱塘江河口段潮汐、径流、河床地形三者的非线性关系对河口段的洪水位有显著的影响几十年来，科学工作者在分析钱塘江河口大量水文、潮汐及地形的实测资料的根底上，得到了影响河口洪水位的几种因素，并根据河口段潮流、泥沙运动与河床变形理论进展了数值预报模型的研究，获得了不少的研究成果[1][2]但限于当时计算技术条件，对洪水前期的江道地形采用经历修正的方法得到，再用经历合轴相关曲线作闸口站洪水位预报，它的优点是方便快速，缺点是不能动态预报洪水位沿时空的变化过程本文在前人工作的根底上，建立了一维动床数值预报模型，进展了钱塘江河口的一次典型洪水过程的数值预报，其速度和精度可满足预报要求，为实时预报奠定了基矗　　1钱塘江河口洪水位变化特性　　1.1钱塘江河口洪水特性　　钱塘江河口七堡以上河段最高水位受梅汛期洪水控制〔仅个别年份由台风暴潮引起〕。

由于钱塘江河口具有潮大流急，河床冲淤幅度大、速度快的特点，使得该河段的洪水位变化规律既不同于无潮河流，也不同于冲淤变化较小的潮汐河流详细地说，它除了与汛期洪水流量大小直接有关外，还受江道冲淤相貌、下游潮汐、河口下段尖山河湾主槽走向、长度及人类活动〔包括新安江水库的兴建及治江围垦〕等诸多因素控制一般地，闸口洪水位〔Z〕可由闸口洪峰流量〔Q〕、闸口至盐官江道容积〔V〕、下游澉浦高潮位〔ZZ〕三者的非线性回归关系确定,由此建立经历预报合轴相关图[2]　　1.2泥沙输移对洪水位影响　　钱塘江河口泥沙输移对沿程洪水位影响比拟敏感实测资料分析说明，在枯水大潮期间，盐官以下河段落潮含沙量大于涨潮含沙量，而盐官以上河段涨潮含沙量大于落潮，净泥沙输移是指向上游，从而造成钱塘江河口自上而下的淤积，导致该河段年内潮淤洪冲，年际间表现为丰水年冲刷，枯水年淤积的格局泥沙输移的最终结果使闸口至盐官河段河床发生冲淤变化，进而影响行洪面积该河段的冲淤相貌可用钱塘江河口沙坎高程及闸口至盐官河段7下容积等指标表征，它们均可用闸口站低水位集中反映从表1的几次洪水资料可以看出江道冲淤相貌对洪水位的影响起决定作用比拟1955年6月与1968年7月两次闸口洪水位，由于汛前江道相貌不同，1955年汛前江道冲刷，面积、容积均很大，汛前闸口断面低水位仅3.87，沙坎高程2.1，而1968年汛前遭遇枯水而淤积，江道面积、容积较小，仅2.68亿3，闸口低水位高达6.14，沙坎高程4.0，尽管闸口洪水流量相差2倍多，但其最高水位非常接近，分别为9.07和9.01，出现小流量高水位的现象主要在于江道淤积所致。

而1968年7月与1955年4月另一次洪水相比闸口洪峰流量相近，分别为120003/s和110003/s，但由于江道相貌不同，两者的洪水位差达2之多　　表1实测典型洪水比拟　　Tab.1parisnfeasuredtypialfldsintheQiantangriver　　年.月.日　　洪峰　　流量/3.s-1　　闸口　　洪水位/　　汛前闸口低水位/　　河口沙坎　　高程/　　澉浦　　高潮位/　　闸口至盐官　　容积/亿3　　1955.6.22　　31000　　9.07　　3.87　　2.10　　6.61　　9.31　　1968.7.10　　12000　　9.01　　6.14　　4.0　　6.60　　2.68　　1955.4.17　　11000　　7.00　　4.47　　3.70　　4.56　　7.98　　1997.7.9　　15000　　9.67　　5.88　　4.5　　6.31　　3.05　　1.3潮汐对河口洪水位的影响　　在钱塘江河口洪水演进中，下游澉浦潮汐大小对该河段洪水位起顶托作用，一样的江道条件与洪水条件下，潮汐大那么洪水位高如1994年6月18日与1995年6月25日两次洪水，上游富春江电站的洪峰流量根本一样，分别为101003/s和106003/s，洪水前闸口至盐官7下容积也根本一样，均为4.0亿3，但下游澉浦的高潮位不同，分别为5.15、4.31，差0.84，而闸口的洪水位分别为8.1、7.56，两者相差0.54之多。

可见潮汐对洪水位影响比拟明显　　2.1根本控制方程及定解条件　　钱塘江河口经治江围垦后，河道已相比照拟规那么，可以用一维动床数学模型来描绘水流运动规律，考虑到水体挟带的泥沙主要以细颗粒悬移质为主，河床冲淤也以悬移质起主要作用，因此本文在模型中也主要考虑悬移质泥沙，单一河道悬沙数学模型根本控制方程可以表述如下:　　水流连续方程(1)　　水流运动方程：(2)　　悬沙输移方程：(3)　　河床变形方程：(4)　　挟沙才能公式：〔5〕　　式中：x为河道里程，t为时间，Q为流量,B为河宽，Z为潮位，Ａ为断面过水面积，为谢才系数，R为断面水力半径，S为断面平均含沙量,S*为断面平均挟沙才能，、为泥沙冲淤系数，ω为泥沙沉降速度，为断面平均河底高程，为单位河段傍侧入流量E为泥沙纵向扩散系数,γs为泥沙干容重　　将方程(1)～(3)式按PrEissann四点偏心隐格式离散,方程(4)用一般的时间差分格式离散得到差分方程限于篇幅，根本方程的定解条件及离散方程详见文献[3][4]　　但象钱塘江之类的河口，在径流和潮流作用下形成往复水流，就流动方向而言，存在如图2的四种情况a)、(b)两种情形与单向流动没有什么区别，水流和含沙量计算方法也与单向河道一样；()、(d)两种情形与单向流动的差异在于水流和含沙量内边界提法不同，特别是(d)情形，计算河段的上、下边界不需要含沙量边界条件，其计算边界条件应在停滞点(Q＝0)所在断面给定水流和含沙量的内边界条件。

对于()不需给含沙量内边界条件，只要将河段分成两单向河段处理即可下面重点说明(d)情况的水流、含沙量内边界条件如何给定　　图2潮流往复流动的四种情况　　Fig.2Skethfthetidalfl　　在水流运动方程中的阻力项已作了单向流动的假定，正、负两种方向的流动阻力系数不等，在包含正、负二向流动的河段中，应将二向流动河段分别处理假定滞流点(Ｑk＝0)在Δt内位置固定不变，～k和k～n两段分别可用Preissann格式离散得离散方程，其式与在～n断面直接离散得到的离散方程的形式区别仅在于用△Xn/2代替其中的根据Qn，Q流量的大小，利用线性插值确定滞流点的位置：　　(6)　　滞流点的含沙量可由下式确定：　　(7)　　经离散得到：　　(8)　　这样以Ｋ断面为界，可按两股单向流动分别计算沿程断面的含沙量因此计算内边界点含沙量时必须首先求得内边界点的位置和数量，然后〔8〕分别确定内边界点的含沙量　　2.2关键问题的处理　　动床数学模型计算的关键是准确选用水流、泥沙根本方程的有关参数　　①床面阻力系数　　河床糙率沿程分布采用实测水位资料率定得到，涨、落潮糙率取不同值闻家堰以上河段涨、落潮糙率取值范围为0.02～0.040；闸口以下河段涨潮糙率为0.01，落潮糙率0.01～0.012；闻家堰至闸口河段涨、落潮糙率取值范围为0.01～0.02。

　　②水流挟沙才能　　目前，挟沙才能仍以据本河段实测资料得到的经历关系最为可靠，通过大小潮及洪水实测资料分析得到钱塘江河口段水流挟沙才能公式为[1]：　　(9)　　式中=0.95～1.1，H为水深，K为挟沙才能系数K值的合理选定可从实测水沙资料推求，考虑到沿程水流、泥沙等条件的不同，其值也有所不同，而且在丰枯及潮水期也有一定的差异因此在详细选择K值时可通过含沙量及河床变形率定和验证得到　　③泥沙冲淤系数Ｔ１、Ｔ２　　本文中的泥沙冲淤系数系底部含沙量与断面平均含沙量、底部挟沙力与断面平均挟沙力的比值，根据林秉南、韩曾萃的研究成果[5]：　　,(10)　　④河床冲淤判别条件　　采用含沙量与挟沙力比照的判别条件，即当SS*时河床淤积，当SS*时,且UU，河床冲刷式中：U为泥沙起动流速，可用武汉水利电力大学的起动流速公式计算[6]　　2.3冲淤面积的分配　　一维输沙模型给出了断面的冲淤面积和河段的冲淤量，要进一步理解冲淤沿纵向和横向的变化，冲淤量的合理分配是保证一维动床数学模型计算精度的根本问题冲淤量的横向分配最常用的是根据水沙条件和河床组成的某些数学关系对河床进展分配，主要有平均分配法、按面积比考虑分配、按能量比进展分配、按切应力大小进展分配、按水流挟沙的饱和程度考虑等[7]。

本文采用冲淤面积沿水深分配的方法，即：△Zsi=hij△Asi/Ai，，这种分配方法的主要缺点是不区分滩槽且不考虑水沙条件及床面切应力条件在潮汐河口河床冲淤计算中冲淤量的纵向分配也非常重要，由于在长河段长时段的演变计算中上、下河段水动力和泥沙条件的不同，其冲淤性质可能出现如下几种情况：　　上、下游河段冲淤性质相反——上段冲刷、下段淤积和上段淤积、下段冲刷；　　上、下游河段冲淤性质一样——上下河段同为冲刷和上下段同为淤积；　　对上述几种情况要分别处理如上、下游河段冲淤性质相反，那么首先要确定冲淤量为0的断面位置，求得该点的含沙量作为上游断面的出口含沙量和下游河段的进口含沙量，分别计算冲淤量，如上下河段冲淤性质一样，情况较为简单，可从河床演变自动调整机理出发，断面冲淤量取决与断面含沙量与挟沙力的差，利用上述沿程冲淤量的处理方法即可反映钱塘江河口沙坎的纵向演变过程　　2.4区间入流概化　　钱塘江河口段的洪水不仅包括富春江电站的下泄洪水流量，而且还包括沿江各支流〔主要有分水江、浦阳江、壶。