辽河流域河道洪水演进模拟研究

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

辽河流域位于我国东北部，多年平均年降水量在520～860mm之间，主要集中在每年的6—9月份并且占全年的65%以上，流经量在时空上的分布以西部区域为主；不同区域的地势结构存在一定差异，整体呈现出东南高、西北低的变化趋势，高差处于216～840m范围。流域范围内大小支流纵横，降雨在时空分布上极不均衡，暴雨或强降雨较多，并且主要集中在汛期。据不完全统计，该流域每3年左右就会发生一次一般洪水，每隔7～8年的时间就会出现一次较大洪水。河道行洪排涝受上下游水位及主要支流状况影响较为显著，水位变化关系复杂。对河道汇流参数利用历史水文资料进行率定的传统水文学法，往往难以客观反映河道汇流变化规律和断面形状，在洪水预报中容易造成洪峰时间与洪峰量等要素的模拟与实际状况存在较大的偏差，并对防汛工作产生不利影响[1-6]。

据此，本文对辽河流域中下游洪水演进利用EasyRiv1D模型进行模拟分析。该模型能够综合考虑河道断面形成、水工构筑物调度规则以及河流汊点等因素，系统、定量地认识与把握河网洪水演进过程，揭示河道汇流与河道断面变化规律。本文成果可为政府部门防洪减灾提供可靠的科学性依据和技术理论数据支撑。

1 构建EasyRiv1D洪水演进模型

1.1 模型简介

EasyRiv1D模型是由我国水利部门自主研发的一种能够支持不同时空尺度快速模拟、DEM建模和参数自动识别并具有自主知识产权的水力学模型。该模型是以河道水流不可压缩与水流均质为基本条件，并且假定河道断面、坡降无较大变化幅度，然后利用圣维南方程组进行模拟分析[7]。其方程组如下：

∂A/∂t+∂Q/∂x=q

(1)

(2)

以上式中 A——水流断面的面积，m2；

Q——水流断面的流量，m3/s；

q——基本单位河流长度上支流的流量，m3/s；

x——河流长度，m；

t——汇流时间，h；

Z——水位,m;

C——泄洪系数;

R——水力半径,m；

α——动量的校正系数。

1.2 河道下渗参数耦合系统

辽河流域洪水演进受河道下渗参数的影响作用较为明显，地下水与地表水之间相互作用、相互影响，其相互关联的变量是决定二者定耦合系统的关键，因此，地下水流可用如下方程表示：

(3)

(4)

(5)

以上式中Bgw——潜水含水层宽度，m；

K——渗透系数;

M——含水层厚度,m;

S——给水度;

P——河道湿周,m；

b——河道防渗层厚度，m；

h——地下水水位，m；

Z,Z0——河道水位,河底高程或者河道防渗层底面的高程，m；

qg——交换量，正数为流入,负数为流出。

基于三级解法与加权离散对河网水流方程进行求解，同时利用追赶分析法与边权离散计算地下水流方程。其求解的主要流程如下：对初始侧流项qg利用初始地下、地表水位和初始条件进行求解，并假定初始值为河道下一刻侧向流入量，即qg0=qg；然后对地下水位与河道内水位进行计算，并根据新的计算结果对比分析qg0、qgn，如果满足收敛精度则继续计算，否则重新调整qg0=qgn，收敛时，停止计算。

2 辽河流域河道洪水演进模拟

2.1 EasyRiv1D模型概化

EasyRiv1D模型计算的重要基础和前提条件是对其前处理，主要有如下内容：河网拓扑结构输入与径流计算过程的处理；关键参数与河段关键断面的输入处理；模型运行规则与水工建筑物尺寸的处理[8]，初始边界条件的界定等。本文以辽河流域中下游为研究对象，整体连续模拟中下游河道洪水演进流量过程和沿程水位，从而依据分析结果为洪水风险图的编制和制定防洪减灾措施提供数据支持。模型上下边界条件分别为福德店水文站出库流量与辽源水文站水文过程。

2.2 模型参数

以河道实测断面资料作为模型所需数据的主要来源，各断面之间的距离平均为2～3km，本文共设计断面260个，主要资料信息见表1。

表1 辽河中下游河道断面信息

构建模型的关键是对不同河段的渗透系数进行科学合理的确定，辽河流域内上下游与各河段之间存在着地下水埋藏深度、地层地质岩石的特性等下垫面条件的很大差异，故此可以依照河道下渗其他项目检测相关结论、河床岩性等资料，确定河道下渗在洪水演进过程中的相关参数，结果见表2。

表2 河段渗透系数与地质岩性

度量河道水流阻力的重要参数为河道糙率，该参数是影响河道泄洪能力预测、水库回水末端位置和蓄水高度模拟，各种泥沙冲淤和水力计算等方面的关键参数。辽河中下游河段的河道水动力初始模拟的糙率值见表2，并通过试算确定适合的糙率值。利用曼宁公式与谢才公式相结合计算糙率，公式如下：

(6)

式中Q——断面流量，m3/s；

A——断面面积，m2；

R——水力半径，m；

J——水力梯度。

2.3 水力学模型预报分析

对辽河中下游河道15场洪水的径流与洪峰进行模拟，其中12个场次作为率定期样本，3个场次作为验证期样本。结果显示，模拟相对误差在各个水文站存在较大差异，其原因可能与流量实测资料较差相关。在大水时水位流量关系曲线为辽河水系的流量检验主要依据，随着人类活动与经济社会对河道断面影响的不断增大，水文资料已不能准确、客观地反映河流断面实际情况。并且，在汛期强降雨时辽河流域修建的橡胶坝，可出现人造洪峰的现象并使得河道验证期与率定期存在较大的误差[9-10]。各站点模拟成果特征值见表3。

表3 各站点模拟成果特征值

表中H、T、R分别为浑河、太子河、饶阳河支流场洪，从验证期3个场次洪水特征值可以看出，实测值与H、T、R水文站的数值模拟具有良好的一致性，模拟结果基本能够反映河流水文断面流量变化特征，并且实测洪峰时间与模拟结果基本保持一致，EasyRiv1D模型具有良好的拟合效果，在我国东北区域的洪水预报中具有良好的实际应用价值。另外，各水文站的确定性系数均高于0.6，由此表明在洪水预报过程中模型表现出较强的适用性与较高的精度。

2.4 定量预报的不确定性分析

为了避免对预报结果不确定性的影响，可利用不确定处理器HUP定量评估洪水预报结果[11-12]。该模型首先假定实测流量H0，利用Hn、Sn;(n=1,2,…,N)分别表示实测流量、模型确定性预测流量，N为预见期长度。假定hn、sn分别为Hn、Sn的取值，模型起始预测时间H0=h0。因此可利用贝叶斯公式计算概率密度函数φn，结合似然函数和先验密度函数进行估计，计算公式如下：

(7)

确定性预报结果sn是模型耦合结果，利用式(7)可得到在hn、sn条件下预报量hn的概率分布φn(hn|sn,h0)，对其预报结果的不确定性和相似性加以分析和评估。本文以浑河典型水文站的5场次洪水为案例进行了分析，并对其利用式(7)和求算方法获取90%预报区间等数据，计算结果见表4。

表4 浑河洪水预报不确定性定量分析结果

由表4计算结果可知，预报区间为90%的离散度处于0.25～0.28区间，并且百分比均大于95%。通过上述计算和分析可知，耦合模型预测结果值的不确定性相对比较低，对于确定性预报结果Q50%的预报结果来说，洪峰流量预测结果的序列可靠性与精确性相当高，具有一定的应用价值。

3 结 论

本文基于辽河流域实测水文资料和水量平衡原理构建了一维水动力学模型，预测分析了各代表性河段的径流与洪峰误差，以期为该流域洪水治理和防汛工作的开展提供一定参考，得出的主要结论如下：

a.模拟相对误差在各个水文站存在较大差异，其原因可能与流量实测资料较差相关。随着人类活动与经济社会对河道断面影响的不断增大，水文资料已不能准确、客观地反映河流断面实际情况，在汛期强降雨时辽河流域修建的橡胶坝，可出现人造洪峰的现象并使得河道验证期与率定期存在较大的误差。

b.实测值与H、T、R水文站的数值模拟具有良好的一致性，模拟结果基本能够反映河流水文实际状况，具有良好的拟合效果，并且各水文站的确定性系数均高于0.6。EasyRiv1D模型在洪水预报过程中表现出较强的适用性与较高的精度。

c. EasyRiv1D模型考虑了河流下渗损失的影响作用，通过模型的预测可以为北方干旱半干旱地区的洪水预测的实际应用提供理论依据和数据支撑，同时，为辽河区域水资源保护和开发利用提供一定参考和借鉴。