CN112507419A - 无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，方法，包括如下步骤：步骤1：构建山区河流一维水动力学模型；步骤2：推求区间洪水过程；步骤3：率定与验证模型。通过构建水动力学模型，创新性提供一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，为解决山区性河流的洪水推求问题提供借鉴，对提高山区河流洪水预报水平，指导灾后洪水复盘、防洪规划和工程设计工作具有重要的现实意义。目前，本发明已成功用于重庆市綦江区主城区防洪规划方案研究、歙县城区防洪规划、湄公河上游未控区间洪水推求等。

Description

无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法

技术领域

本发明涉及防洪减灾技术领域，具体涉及一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法。

背景技术

准确的洪水信息既是开展防洪减灾的“参谋”与“耳目”，亦是开展防洪规划中防洪水文分析计算、现状防洪能力复核等工作的基础依据。近年来，随着水文气象监测、水文气象耦合等方面的快速发展，洪水推求技术取得了长足的进步。目前，各大江大河已建成集卫星、雷达、水文气象报汛站、水利工程站等空天地于一体的流域全覆盖水雨情立体监测体系。多年的应用实践证明，大江大河及主要支流干流洪水预报、洪水过程模拟具有较高的精度，但在中小河流尤其是山区性河流的精度随着水文气象监测站点的减少不断下降。山区性河流普遍存在水文站网密度不够，未控区间大，造成无水文观测站点的城镇重要河段无法进行有效洪水作业预报，对防洪决策形成了阻碍，洪水过后，亦无法对洪水进行很好的复演，对今后的灾后重建及防洪工程补短板工作带来了困难。此外，许多山区性河流径流年内分配极不均匀，为满足非汛期灌溉、供水、航运和景观等需求，往往在河道上建有大量堰坝，产生一定阻洪或滞洪作用；在城镇河段，为满足交通需要，往往修建了许多跨河桥梁，这些桥梁也在一定程度上存在碍洪影响，洪水推演必须考虑这些工程的影响。山区性河流防洪问题一直是我国防洪的短板地区，近年来，极端暴雨洪水问题逐渐凸显，由极端天气引起的大洪水发生概率也随之加大，防洪风险暴露度亦随之增大。因此，开展无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法研究对保障山区性河流沿线城镇及大片农田防洪安全具有重要现实意义。

传统的无资料地区洪水推求主要有两种技术途径：一是结合已有水文站点的洪水资料，按照面积比的2/3次方推求干流无测站断面的洪水或支流的入汇洪水，但该法主要用于洪峰流量的推求，且推求值一般偏大，无法真实反映历史洪水的实际演进过程，对于洪水演进模型的率定验证帮助不大，无法指导规划水库等调蓄工程的规模论证(这些工程需要洪水过程资料进行调洪计算)；二是结合降雨资料按照分布式水文学模型推求，但该法需要要求有准确的未控区间降雨资料及下垫面资料，然而山区性河流降雨站点一般较少，由于强降雨时空分布不均匀，部分地区代表性仍显不足，且模型对下垫面资料的要求较高，然多数河流的下垫面信息一般掌握不足，模型概化处理上往往需要过多简化或参照其他河流情况，推求洪水过程准确度存在较大不确定性。如再考虑山区性河流阻水构筑物的影响，上述方法模拟精度将更低。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，解决传统面积比缩放技术基于已有测站洪峰流量推求未控区间洪峰流量偏大、无法模拟洪水过程问题；避免基于水文学模型和降雨资料推流存在的因降雨和下垫面资料不足、涉河建筑物碍洪而造成的模拟误差问题。

本发明采用的技术方案是：一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：构建山区河流一维水动力学模型；

步骤2：推求区间洪水过程；

步骤3：率定与验证模型。

作为优选，步骤1中，所述山区河流一维水动力学模型构建，包括河网模块、断面模块、参数模块和边界模块四部分内容。

进一步的，河网模块包括河道里程、计算范围和河道流向信息，根据防洪保护对象、水文站网的分布情况，确定模型计算范围，从防洪保护对象的上游水文站演算至下游水文站；

当防洪保护对象处于干流河道上，防洪保护区无支流入汇，则模型的上边界选在防洪保护对象的上游河段距离保护对象最近的水文站，如果上游河段干流无水文测站，亦可选为上游的某一条或若干条支流水文测站，模型的下边界选在防洪保护对象的下游河段距离保护对象最近的水文站；

当防洪保护对象处于干流河道且多条支流同时入汇防洪保护区所在的干流河段，则模型的上边界选在防洪保护对象的上游干流河段及支流距离保护对象最近的若干水文站，模型的下边界选在防洪保护对象的下游河段距离保护对象最近的水文站；

根据河道深泓线确定模拟范围内的干流及支流河道里程。

进一步的，断面模块包括以下内容：

1)、收集或测量河道地形图或大断面；

2)、对于沿程有洲滩、跨河桥梁与堰坝阻水构筑物的河道，大断面的选取应考虑其对行洪的影响；在洲滩处选取的断面宜为包含整个洲滩的大断面，遇小洪水时，不被淹没的滩地按填洼处理，以减少计算误差；遇大洪水时，被淹没的滩地按实际地形处理；根据跨河桥梁的结构型式和阻水情况，建模时根据桥墩阻水情况，在模拟时将河道断面扣除桥梁的阻水面积；溢流坝、泄洪闸、船闸、非溢流坝和电站建筑物可看做为不同尺寸和高度的宽顶堰，将各枢纽就概化为由多个溢流堰组成的组合建筑物，即在相同位置处添加多个独立的溢流堰来进行模拟处理；水库通过在大坝上游断面上添加附加面积方式进行模拟，反映水位库容关系；

3)、对于无洲滩、无支流入汇、无控制站点的顺直河段，选取的断面间距可适当加大，反之需要加密；

4)、根据河道特性、支流入汇、洲滩与涉河建筑物分布和水文控制断面，合理选取大断面，保持适宜断面间距，断面确定好后根据河道深泓线量算各断面的桩号。

进一步的，其特征在于：参数模块：河道水动力学数学模型包含的参数有河道糙率和模型计算初始水位，模型初始计算时，根据河道的特性初拟河道糙率系数，根据河道的水文资料及坡降分段给定初始水位、初始流量，或基于水动力学数学模型和上下游初设边界模拟演算河道沿程初设条件。

进一步的，边界模块构建：河道水动力学数学模型的边界条件包括上边界条件、旁侧入流边界条件和下边界条件，具体包括以下内容：

1)、上边界条件取防洪保护对象上游干流水文站的入流洪水过程；

2)、旁侧入流边界条件取区间支流及未控区间的入流洪水过程；如果区间无水文资料，则可暂时赋值0，待区间入流确定后再赋值；

3)、下边界条件取下游水文站的实测水位过程或水位流量关系。

作为优选，步骤2中，所述区间洪水过程推求，基于步骤1构建的山区河流一维水动力学模型，采用已有水文资料推演洪水演进过程，根据下游水文站的模拟与实测流量差值，按照面积比推算实现；具体实现方法如下：

1)、洪水推演计算

根据已收集到的水文资料，分别赋值上、下边界条件和旁侧入流边界条件；在此基础上，采用已构建的山区河流一维水动力学模型，对洪水过程进行推演，得到下边界的模拟洪水过程；

2)、区间来流计算

①、计算下游水文站的模拟洪水过程与实测洪水过程差值，作为扣除上游干流水文站和支流已有水文站来流的大区间入流过程；

②、由于山区性河流集水面积相对较小，干流及各支流的下垫面条件一般较为相似、降雨情况相近，故假定各区间的来流大小与其集水面积成正比；因此，按照各支流及干流未控区间的面积除以大区间的总面积，得到对应各子区间的来流比例，依据大区间入流过程和各子区间的来流比例，推算各子区间的入流过程；

③、根据洪水推演计算结果，得到上游水文站洪水演进至下游水文站的时间，再结合两站的距离，计算得到洪水流速；基于步骤1构建的山区河流一维水动力学模型推求各支流入汇点及干流未控区间洪水传播至下边界的时间；考虑洪水传播时间，修正各子区间的入流过程。

作为优选，步骤3中，所述模型率定与验证基于步骤1构建的山区河流一维水动力学模型和步骤2推求的各子区间入流过程，分别选定两场大洪水检验模型的模拟精度；具体实现方法如下：

模型率定：

①、考虑山区性河流的洪痕资料，将干流河道划分成若干个计算河段；

②、采用某年实测大洪水资料，根据各断面的洪痕资料以及下游水文站的流量过程对各河段的糙率进行率定；

③、比较下游水文站模拟洪水过程与实测洪水过程的涨落态势、峰值大小和峰现时间，各控制断面的洪痕值与模拟最高水位值，如果下游水文站模拟与实测洪水过程较为吻合或者沿程水面线计算成果与洪痕相比基本一致，则证明模拟结果准确度较高；

模型验证：

①、在资料条件允许的情况下，选用另一年实测大洪水资料，根据各断面的洪痕资料以及下游水文站的流量过程对各河段的模拟水位进行验证；比较下游水文站模拟洪水过程与实测洪水过程的涨落态势、峰值大小和峰现时间，各控制断面的洪痕值与模拟最高水位值，如果下游水文站模拟与实测洪水过程较为吻合或者沿程水面线计算成果与洪痕相比基本一致，则证明率定结果可靠；

②、如无其他实测大洪水资料，则对比河床组成及床面特性、平面形态及水流流态、岸壁特征相近的河道，如果率定的糙率系数与天然河道糙率参考值相近，则证明率定结果可信，建议采用；

③、如果模拟误差较大，则根据实测与模拟差值再次根据面积比缩放累加到各区间，并采取上述步骤重复计算，直至模拟结果满意为止。

本发明取得的有益效果是：本发明适用于中小河流特别是山区性河流无资料地区的洪水过程推演计算，要求所计算的支流及干流未控区间下垫面条件总体相似，降雨量相近，研究区域上下游都有水文站控制(区间可无水文站)。本发明为现有水文学方法的升级版，通过构建水动力学模型，创新性提供一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，为解决山区性河流的洪水推求问题提供借鉴，对提高山区河流洪水预报水平，指导灾后洪水复盘、防洪规划和工程设计工作具有重要的现实意义。目前，本发明已成功用于重庆市綦江区主城区防洪规划方案研究、歙县城区防洪规划、湄公河上游未控区间洪水推求等。

附图说明

图1是本发明的技术路线；

图2是水动力学模型研究范围；

图3是大常枢纽断面概化图；

图4是綦江主要站点2016年“6.28”实测洪水过程；

图5是綦江主要站点1998年“8.17”实测洪水过程；

图6是2016年綦江五岔站实测与模拟流量过程及大区间流量过程；

图7是1998年綦江五岔站实测与模拟流量过程及大区间流量过程；

图8是2020年歙县渔梁站实测与模拟流量过程及大区间流量过程；

图9是2016年“6.28”洪水五岔站率定结果；

图10是1998年“8.17”洪水五岔站验证结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：构建綦江干流一维水动力学数学模型

(1)河网模块

综合考虑规划范围内水文站网分布、涉河建筑物的位置分布及防洪影响等情况，将綦江干流一维水动力学数学模型的模拟范围设置为东溪水文站至五岔水文站，全长84.13km，研究范围见图2。

(2)断面模块

断面资料采用实测的67个河道断面，平均断面间距约1107m，最小间距94m。綦江干流涉河建筑物众多，主要包括桥梁、闸坝枢纽等。根据各桥梁的结构型式和桥墩阻水情况，将河道断面扣除桥梁的阻水面积。溢流坝、泄洪闸、船闸、非溢流坝和电站等建筑物概化为由不同尺寸和高度的宽顶堰组成的组合建筑物，大常枢纽概化情况见图3。

(3)参数模块

根据《綦江县县城防洪规划报告》河道糙率率定成果，模拟河段的河道糙率大多是0.037左右，结合现场查勘情况，初拟河道糙率系数为0.037。

将綦江干流上游边界东溪水文站和旁侧入流边界支流蒲河石角站2016年和1998年洪水过程初始时刻流量值(考虑传播时间)纳入綦江干流一维水动力学数学模型，计算得到河道沿程水面线，作为模型的初始水位。

(4)边界模块

模型上边界条件为东溪水文站的实测流量过程；下边界条件为五岔水文站的实测水位过程；旁侧入流边界条件为扶欢河、郭扶河、蒲河、通惠河、清溪河等主要支流以及干流未控区间的洪水过程，其中蒲河采用石角站的实测流量过程，其他支流及干流未控区间无水文测控控制，待模拟推求。模型率定采用2016年的洪水资料作为边界条件，见图4；模型验证采用1998年的洪水资料作为边界条件，见图5。

步骤2：推求区间洪水过程

采用MIKE11软件构建綦江干流一维水动力学数学模型，根据东溪、石角两站的流量过程及五岔站的水位过程，模拟计算五岔站2016年和1998年的流量过程，将五岔站实测与模拟流量过程的差值作为大区间入流过程，见图6和图7，根据各子区间的面积比并考虑洪水传播时间(镇紫河、扶欢河、郭扶河、桥河枢纽、通惠河、新盛河、清溪河、五福2016年洪水传播至五岔站的时间分别约为5小时30分、4小时36分、3小时6分、2小时24分、2小时、1小时48分、1小时30分、42分)得到各子区间的入流过程。采用此方法，计算歙县大区间入流过程，见图8。

步骤3：模型率定与验证

(1)模型的率定和验证方法

考虑綦江干流的洪水特性和洪痕资料条件，将干流河道划分成11个计算河段分别率定糙率。具体为：五岔站～桥溪口、桥溪口～清溪河口、清溪河口～北渡大桥、北渡大桥～大岩门、大岩门～城北大桥、城北大桥～大常、大常～綦江大桥、綦江大桥～彩虹桥、彩虹桥～沱湾大桥、沱湾大桥～桥河、桥河～东溪站。采用2016年和1998年的实测洪水资料，根据桥河、沱湾大桥、彩虹桥、綦江大桥、大常、城北大桥、大岩门、北渡大桥、清溪河口、桥溪口的洪痕资料以及五岔站的流量过程对11个河段的综合糙率分别进行率定和验证。

(2)模型的率定与验证结果

五岔站洪水过程线的率定与验证：对五岔站的流量过程进行率定与验证，图9为2016年“6.28”洪水过程率定结果，图10为1998年“8.17”洪水过程验证结果，可以看出：两场洪水中，五岔站的模拟洪水过程与实测洪水过程，其洪水上涨和消落态势一致，峰值大小和峰现时间均较为吻合。在模型率定成果中，五岔站洪峰流量模拟误差值为1m³/s，相对误差为0.02％；在模型验证成果中，五岔站洪峰流量误差值为13m³/s，相对误差为0.25％。综上，五岔站洪水过程的模拟误差较小。

洪水水面线的率定和验证：采用2016年“6.28”洪水和1998年“8.17”洪水资料计算綦江干流沿程水面线，并与洪痕调查成果进行对比。2016年“6.28”洪水最高水位模拟绝对误差为-0.19～0.27m，相对误差为0～0.09％；1998年“8.17”洪水最高水位模拟绝对误差为-0.22～0.19m，相对误差为0～0.1％。模拟误差主要与洪痕测量误差、区间洪水计算误差、1998年和2016年涉河工程建设情况和河道地形变化等因素有关。总体来看，綦江干流沿程水面线计算成果与洪痕相比基本一致。

糙率系数率定结果：根据率定和验证结果，11个河段的综合糙率范围在0.033～0.045之间，符合河道的实际特征，因此，构建的綦江干流一维水动力学数学模型是合理的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：构建山区河流一维水动力学模型；

步骤2：推求区间洪水过程；

步骤3：率定与验证模型。

2.根据权利要求1所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：步骤1中，所述山区河流一维水动力学模型构建，包括河网模块、断面模块、参数模块和边界模块四部分内容。

3.根据权利要求2所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：河网模块包括河道里程、计算范围和河道流向信息，根据防洪保护对象、水文站网的分布情况，确定模型计算范围，从防洪保护对象的上游水文站演算至下游水文站；

当防洪保护对象处于干流河道上，防洪保护区无支流入汇，则模型的上边界选在防洪保护对象的上游河段距离保护对象最近的水文站，如果上游河段干流无水文测站，亦可选为上游的某一条或若干条支流水文测站，模型的下边界选在防洪保护对象的下游河段距离保护对象最近的水文站；

当防洪保护对象处于干流河道且多条支流同时入汇防洪保护区所在的干流河段，则模型的上边界选在防洪保护对象的上游干流河段及支流距离保护对象最近的若干水文站，模型的下边界选在防洪保护对象的下游河段距离保护对象最近的水文站；

根据河道深泓线确定模拟范围内的干流及支流河道里程。

4.根据权利要求2所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：断面模块包括以下内容：

1)、收集或测量河道地形图或大断面；

2)、对于沿程有洲滩、跨河桥梁与堰坝阻水构筑物的河道，大断面的选取应考虑其对行洪的影响；在洲滩处选取的断面宜为包含整个洲滩的大断面，遇小洪水时，不被淹没的滩地按填洼处理，以减少计算误差；遇大洪水时，被淹没的滩地按实际地形处理；根据跨河桥梁的结构型式和阻水情况，建模时根据桥墩阻水情况，在模拟时将河道断面扣除桥梁的阻水面积；溢流坝、泄洪闸、船闸、非溢流坝和电站建筑物可看做为不同尺寸和高度的宽顶堰，将各枢纽就概化为由多个溢流堰组成的组合建筑物，即在相同位置处添加多个独立的溢流堰来进行模拟处理；水库通过在大坝上游断面上添加附加面积方式进行模拟，反映水位库容关系；

3)、对于无洲滩、无支流入汇、无控制站点的顺直河段，选取的断面间距可适当加大，反之需要加密；

4)、根据河道特性、支流入汇、洲滩与涉河建筑物分布和水文控制断面，合理选取大断面，保持适宜断面间距，断面确定好后根据河道深泓线量算各断面的桩号。

5.根据权利要求2所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：参数模块：河道水动力学数学模型包含的参数有河道糙率和模型计算初始水位，模型初始计算时，根据河道的特性初拟河道糙率系数，根据河道的水文资料及坡降分段给定初始水位、初始流量，或基于水动力学数学模型和上下游初设边界模拟演算河道沿程初设条件。

6.根据权利要求2所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：边界模块构建：河道水动力学数学模型的边界条件包括上边界条件、旁侧入流边界条件和下边界条件，具体包括以下内容：

1)、上边界条件取防洪保护对象上游干流水文站的入流洪水过程；

2)、旁侧入流边界条件取区间支流及未控区间的入流洪水过程；如果区间无水文资料，则可暂时赋值0，待区间入流确定后再赋值；

3)、下边界条件取下游水文站的实测水位过程或水位流量关系。

7.根据权利要求1所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：步骤2中，所述区间洪水过程推求，基于步骤1构建的山区河流一维水动力学模型，采用已有水文资料推演洪水演进过程，根据下游水文站的模拟与实测流量差值，按照面积比推算实现；具体实现方法如下：

1)、洪水推演计算

根据已收集到的水文资料，分别赋值上、下边界条件和旁侧入流边界条件；在此基础上，采用已构建的山区河流一维水动力学模型，对洪水过程进行推演，得到下边界的模拟洪水过程；

2)、区间来流计算

①、计算下游水文站的模拟洪水过程与实测洪水过程差值，作为扣除上游干流水文站和支流已有水文站来流的大区间入流过程；

②、由于山区性河流集水面积相对较小，干流及各支流的下垫面条件一般较为相似、降雨情况相近，故假定各区间的来流大小与其集水面积成正比；因此，按照各支流及干流未控区间的面积除以大区间的总面积，得到对应各子区间的来流比例，依据大区间入流过程和各子区间的来流比例，推算各子区间的入流过程；

③、根据洪水推演计算结果，得到上游水文站洪水演进至下游水文站的时间，再结合两站的距离，计算得到洪水流速；基于步骤1构建的山区河流一维水动力学模型推求各支流入汇点及干流未控区间洪水传播至下边界的时间；考虑洪水传播时间，修正各子区间的入流过程。

8.根据权利要求1所述的无资料、多碍洪构筑物的山区性河流洪水过程模拟方法，其特征在于：步骤3中，所述模型率定与验证基于步骤1构建的山区河流一维水动力学模型和步骤2推求的各子区间入流过程，分别选定两场大洪水检验模型的模拟精度；具体实现方法如下：

模型率定：

①、考虑山区性河流的洪痕资料，将干流河道划分成若干个计算河段；

②、采用某年实测大洪水资料，根据各断面的洪痕资料以及下游水文站的流量过程对各河段的糙率进行率定；

③、比较下游水文站模拟洪水过程与实测洪水过程的涨落态势、峰值大小和峰现时间，各控制断面的洪痕值与模拟最高水位值，如果下游水文站模拟与实测洪水过程较为吻合或者沿程水面线计算成果与洪痕相比基本一致，则证明模拟结果准确度较高；

模型验证：

①、在资料条件允许的情况下，选用另一年实测大洪水资料，根据各断面的洪痕资料以及下游水文站的流量过程对各河段的模拟水位进行验证；比较下游水文站模拟洪水过程与实测洪水过程的涨落态势、峰值大小和峰现时间，各控制断面的洪痕值与模拟最高水位值，如果下游水文站模拟与实测洪水过程较为吻合或者沿程水面线计算成果与洪痕相比基本一致，则证明率定结果可靠；

②、如无其他实测大洪水资料，则对比河床组成及床面特性、平面形态及水流流态、岸壁特征相近的河道，如果率定的糙率系数与天然河道糙率参考值相近，则证明率定结果可信，建议采用；

③、如果模拟误差较大，则根据实测与模拟差值再次根据面积比缩放累加到各区间，并采取上述步骤重复计算，直至模拟结果满意为止。

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