河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)研究進(jìn)展及存在的問題

(長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010)

1 研究背景

本文擬通過總結(jié)河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題研究現(xiàn)狀，探討現(xiàn)有研究的不足之處，為今后繼續(xù)深入研究河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題提供一些參考。

2 河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題研究進(jìn)展

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，諸多專家學(xué)者圍繞河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題開展了大量的研究，并在大藤峽、水口、柘溪等水庫(kù)開展了實(shí)踐應(yīng)用和試驗(yàn)研究[2-4]，取得了豐碩的成果。近20 a來(lái)，隨著三峽、溪洛渡、向家壩等一批庫(kù)容大、調(diào)節(jié)性能好的水庫(kù)陸續(xù)建成，河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題又成為研究熱點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。這些研究多聚焦于河道型水庫(kù)洪水波特征、動(dòng)庫(kù)容特性、動(dòng)庫(kù)容調(diào)洪方法、水庫(kù)中糙率分布及變化特性和近壩區(qū)水流特性等問題，并得到了一些非常有價(jià)值的結(jié)論。

2.1 洪水波特征分析

河道洪水演進(jìn)的物理過程可以用圣維南方程組描述，對(duì)洪水波特征進(jìn)行理論分析是建立合理的洪水演算方法的基礎(chǔ)，洪水演算方法就是隨著人們對(duì)洪水波特性的深入揭示而不斷進(jìn)步的[5]。Ponce[6]采用小擾動(dòng)分析方法，基于圣維南方程組動(dòng)量方程的各項(xiàng)對(duì)比關(guān)系進(jìn)行洪水波分類，通過忽略動(dòng)量方程中的部分項(xiàng)，得到了圣維南方程組的各種簡(jiǎn)化形式，即運(yùn)動(dòng)波、擴(kuò)散波、準(zhǔn)恒定動(dòng)力波、慣性波和動(dòng)力波。簡(jiǎn)化的洪水波模型也能夠較好地描述洪水波的演進(jìn)過程，運(yùn)動(dòng)波方程適合于模擬坡面流和緩慢上漲的洪水波，擴(kuò)散波方程適合于天然河道緩流的模擬，慣性波方程被應(yīng)用于慣性項(xiàng)起主要作用的洪水波演進(jìn)[7]。

徐正凡[8]采用理論分析和水槽試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：河道型水庫(kù)洪水波不屬于彈性波，閘門啟閉不會(huì)從根本上改變洪水波的傳播特性，仍然屬于重力波范疇，可以看作明渠非恒定流進(jìn)行模擬；在平水區(qū)，當(dāng)通過人工調(diào)控長(zhǎng)時(shí)間維持壩前水位微小變動(dòng)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生波的共振現(xiàn)象，在震蕩過程中，長(zhǎng)距離河段水位同升同降。Tsai等[9]采用小擾動(dòng)分析方法研究了不同類型水面線的洪水波對(duì)流加速或減速對(duì)洪水波傳播機(jī)制的影響，從水體黏性和河道阻力作用、重力作用、波的傳播和衰減機(jī)制、回水效應(yīng)在波的傳輸過程中的作用等方面，分析了存在回水效應(yīng)下的洪水波動(dòng)力特性，認(rèn)為采用完全圣維南方程組形式的動(dòng)力波方程可以更好地模擬河道型水庫(kù)洪水波的傳播過程。武周虎等[10]通過水槽試驗(yàn)分析了安康水庫(kù)洪水波傳播特性，發(fā)現(xiàn)洪水波在水庫(kù)中的傳播速度主要受慣性波速控制，洪水波傳播時(shí)間與水庫(kù)平水區(qū)水深及回水末端以下的河道長(zhǎng)度有關(guān)。陳力等[11]基于MIKE11模擬分析了三峽庫(kù)區(qū)內(nèi)不同庫(kù)段在多種來(lái)水條件下的洪水波特性以及變化規(guī)律。

2.2 河道型水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特性

河道型水庫(kù)庫(kù)區(qū)水面線存在一定的比降，形成一個(gè)附加動(dòng)庫(kù)容的楔形水體，動(dòng)庫(kù)容大小直接與水面比降相關(guān)，受壩前水位、出庫(kù)流量和入庫(kù)流量影響呈動(dòng)態(tài)變化，水庫(kù)總庫(kù)容與壩前水位不再具有單一關(guān)系。

袁秀娟等[4]系統(tǒng)性地總結(jié)了不同壩前水位、出庫(kù)流量和入庫(kù)流量條件組合下的河道型水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特性，并進(jìn)一步指出：動(dòng)庫(kù)容的大小及沿程分布還與庫(kù)區(qū)地形有很大關(guān)系，對(duì)于庫(kù)尾地形開闊的水庫(kù)，動(dòng)庫(kù)容所占比重往往較大；漲水時(shí)動(dòng)庫(kù)容增大，部分洪水作為動(dòng)庫(kù)容滯蓄在庫(kù)尾或庫(kù)中部；退水時(shí)，受入庫(kù)流量減小影響，動(dòng)庫(kù)容逐漸向壩前移動(dòng)，庫(kù)水位上升，動(dòng)庫(kù)容減少，原滯蓄在水庫(kù)后部的水量逐漸向壩前轉(zhuǎn)移。

基于對(duì)三峽水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特性的分析，張俊等[12]認(rèn)為在枯水期，三峽水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容所占比重較小，采用常規(guī)靜庫(kù)容調(diào)洪演算方法制定調(diào)度方案是可行的；而在洪水期，三峽水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容所占比重較大，要提高水庫(kù)演算的精度，需要考慮解決水庫(kù)的動(dòng)庫(kù)容影響。周建軍等[13]通過分析三峽水庫(kù)動(dòng)庫(kù)容特征發(fā)現(xiàn)：短期調(diào)度或大流量泄流時(shí)改變壩前水位不能帶動(dòng)離壩較遠(yuǎn)的庫(kù)區(qū)水位變化，在短期內(nèi)降低壩前水位需要的棄水量遠(yuǎn)小于相應(yīng)的靜態(tài)庫(kù)容。利用壩前水位變化的靈敏性，采用動(dòng)態(tài)汛限水位調(diào)度方法，根據(jù)未來(lái)洪水預(yù)報(bào)的情況，適時(shí)地調(diào)整汛限水位，有利于提高三峽防洪能力和發(fā)電效益[14]。

2.3 動(dòng)庫(kù)容調(diào)洪方法

河道型水庫(kù)的調(diào)洪演算需要考慮動(dòng)庫(kù)容影響，動(dòng)庫(kù)調(diào)洪演算方法一般可分為以下2類：對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行概化處理的簡(jiǎn)化非恒定流計(jì)算方法(以下稱簡(jiǎn)化方法)和采用水力學(xué)模型的非恒定流計(jì)算方法。

其中輻射場(chǎng)是取光學(xué)系統(tǒng)鏡面上某個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為球心建立的. 所有輻射半徑都等于光學(xué)系統(tǒng)鏡面所有節(jié)點(diǎn)到光學(xué)系統(tǒng)鏡面延伸平面與流場(chǎng)網(wǎng)格相交節(jié)點(diǎn)里的距離最大值， 即光學(xué)系統(tǒng)鏡面外緣某節(jié)點(diǎn)到過光學(xué)系統(tǒng)鏡面中心點(diǎn)延伸線與流場(chǎng)網(wǎng)格外緣相交的距離, 為一固定值, 以加快計(jì)算速度, 減少計(jì)算量, 用FORTRAN語(yǔ)言生成了輻射計(jì)算網(wǎng)格.

簡(jiǎn)化方法依據(jù)對(duì)動(dòng)庫(kù)容曲線的處理方式不同，又可分為化算流量法[15-16]和沿程分段變量流法[4]兩類。簡(jiǎn)化方法是20世紀(jì)70—80年代主要使用的方法，簡(jiǎn)單易行，但精度有限。

當(dāng)前河道型水庫(kù)汛期調(diào)度主要采用水文預(yù)報(bào)模型和一維水動(dòng)力模型耦合方法進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算制定調(diào)度方案[17]。入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)模型為水動(dòng)力學(xué)模型提供水庫(kù)周邊匯入水流邊界條件，水動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合歷史洪水過程對(duì)區(qū)間入流水量進(jìn)行反演，為洪水預(yù)報(bào)模型提供模型精度評(píng)估和參數(shù)調(diào)整依據(jù)[18-19]，二者之間存在密不可分的耦合關(guān)系。水動(dòng)力學(xué)模型的模擬精度直接受邊界條件制約，入庫(kù)洪水預(yù)報(bào)尤其是區(qū)間入流的預(yù)報(bào)精度也直接制約著各種調(diào)度方案下水動(dòng)力學(xué)模型的精度，提高水動(dòng)力學(xué)模型的模擬精度可以直接改善水文水動(dòng)力耦合模型的精度。

李光熾等[20]提出附加調(diào)蓄量的概念，采用附加灘地?cái)嗝娣e的方法模擬附加調(diào)蓄量，使河道水流系統(tǒng)的蓄量等價(jià)于水庫(kù)的實(shí)際蓄量，并通過反演方法確定區(qū)間入流過程，采用具有附加灘地的河道水流系統(tǒng)模擬水庫(kù)調(diào)洪系統(tǒng)，在水口水庫(kù)的洪水演進(jìn)模擬中得到成功應(yīng)用。

左廣巍[21]在清江隔河巖水庫(kù)洪水演進(jìn)計(jì)算中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于人為干擾較大的河道(如庫(kù)區(qū)的河道)，其流量與水位往往不是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系(如大壩處的流量除與水位有關(guān)外，還與閘門的開度情況有關(guān))，當(dāng)對(duì)庫(kù)區(qū)河道進(jìn)行演算時(shí)，需要根據(jù)演算時(shí)刻的閘門情況計(jì)算水位-流量關(guān)系，即把流量-水位關(guān)系作為動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系進(jìn)行處理。王妮等[22]在考慮中下游地區(qū)洪水易受變動(dòng)回水頂托影響的基礎(chǔ)上，提出了動(dòng)態(tài)處理水位流量關(guān)系下邊界的方法，在資水流域水動(dòng)力洪水預(yù)報(bào)模型中的應(yīng)用表明，該方法預(yù)報(bào)精度較高。

2.4 水庫(kù)中糙率分布及變化特性

在明渠水流的水力計(jì)算中，糙率系數(shù)是一個(gè)非常重要且敏感的參數(shù)。明渠糙率系數(shù)不僅表征壁面粗糙程度，還受流量、水深等水力要素及其他水流特性的影響，是一個(gè)綜合水力摩阻系數(shù)[23-25]。對(duì)于均勻流，何建京[26]的試驗(yàn)研究表明，在一定底坡下，糙率系數(shù)隨水深、流量以及斷面平均流速的增加而減小，而對(duì)于不同的底坡，糙率系數(shù)與水深的關(guān)系是不同的。Nirjharini[27]對(duì)復(fù)式斷面糙率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明水流漫灘后，灘地的糙率隨著水深的增大而增大，綜合糙率隨著灘槽糙率比值的增大而增大。

河道型水庫(kù)中水流為M1型水面線明渠非均勻緩流，其水深沿程變化，水力特性不同于均勻流的水力特性，糙率的變化規(guī)律也有所不同。Simons等[28]和Hey[29]研究了大尺度粗糙明渠的阻力特性，比較了大尺度粗糙壁面和光滑壁面阻力系數(shù)的不同計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn):在相同底坡、相同流量條件下，大尺度顆粒層在空隙間可流水工況與空隙被細(xì)小沙子填滿情況下具有完全不同的流動(dòng)特性。前者水深是后者水深的2倍，相應(yīng)地，前者的斷面平均流速是后者的斷面平均流速的一半，兩者的糙率系數(shù)相差近一倍。這一現(xiàn)象表明水流流動(dòng)型態(tài)對(duì)曼寧糙率系數(shù)也有較大影響。Depue等[30]通過水槽試驗(yàn)，研究了回水曲線對(duì)曼寧糙率系數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在發(fā)生M1型水面線的非均勻流時(shí)，糙率系數(shù)的相對(duì)變化量達(dá)到23%。何建京等[31]通過對(duì)M1型水面線中非均勻流糙率系數(shù)的研究，得出非均勻流糙率系數(shù)隨水深、水力坡度的增大而增大的規(guī)律，擬合得到了相對(duì)糙率系數(shù)與相對(duì)水深及相對(duì)水力坡度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，提出了2步計(jì)算糙率的方法。張小峰等[32]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)光滑壁面明渠非均勻流糙率進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壅水情況下，非均勻流能量損失沿程減小，但糙率系數(shù)卻是沿程增大的；然后根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，擬合得到了較為實(shí)用的壅水情況下明渠非均勻流糙率的計(jì)算式，并通過算例表明，采用非均勻流糙率進(jìn)行水庫(kù)回水水面線計(jì)算是必要的。紀(jì)詩(shī)聞[33]采用數(shù)值模擬的方法，利用FLUENT中提供的三維標(biāo)準(zhǔn)湍流k-ε模型，研究了弗勞德數(shù)、渠底坡度、寬深比等水力要素對(duì)明渠均勻流糙率系數(shù)的影響，以及非均勻流糙率系數(shù)隨相對(duì)水深的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn):明渠非均勻流糙率系數(shù)受沿程斷面水深的影響，雍水時(shí)糙率系數(shù)會(huì)隨沿程斷面水深的增加而增大，相對(duì)糙率系數(shù)與相對(duì)水深之間呈冪函數(shù)相關(guān)。

2.5 河道型水庫(kù)近壩區(qū)水流特性

河道型水庫(kù)壩前水位和出庫(kù)流量是水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度中非常重要的決策指標(biāo)。在洪水演進(jìn)模擬中，壩前區(qū)域斷面常被作為內(nèi)邊界或直接被作為下邊界條件使用，因此，河道型水庫(kù)近壩區(qū)水流特性在洪水演進(jìn)研究中應(yīng)該受到重點(diǎn)關(guān)注。

近壩區(qū)水流受復(fù)雜地形邊界、大壩雍水和水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行影響，水流結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，三維流特征顯著[34]。多年來(lái)開展的模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究成果對(duì)河道型水庫(kù)近壩區(qū)的水流特性有了一定的了解，得到了一些有價(jià)值的認(rèn)識(shí)，主要內(nèi)容可概括如下：①水流進(jìn)入庫(kù)區(qū)寬闊水域后，受大壩孔口泄流牽引形成一定范圍的主流區(qū)[35]，在鄰近壩前段，主流區(qū)逐漸從四周向孔口區(qū)域收縮，由明渠流過渡為孔口出流，該河段被稱為沖刷漏斗區(qū)[36]；在孔口頂至自由水面存在一定范圍的橫軸環(huán)流結(jié)構(gòu)，沖刷漏斗區(qū)的近底水流受底坡坡降引起的流場(chǎng)分離影響，可能存在一定范圍的底渦[37-38]。②主流區(qū)以外的范圍受復(fù)雜地形邊界和大壩雍水影響形成較大范圍的滯流區(qū)和回流區(qū)[34]。③主流區(qū)與鄰近范圍的各種環(huán)流結(jié)構(gòu)之間存在流速梯度相對(duì)較大的剪切摻混層，不停地進(jìn)行著水體質(zhì)量、動(dòng)量和能量的交換。④水流運(yùn)動(dòng)受大壩機(jī)組閘門啟閉影響，呈現(xiàn)顯著的非恒定性[39]。

3 存在的問題及展望

3.1 水庫(kù)調(diào)度對(duì)近壩區(qū)水流結(jié)構(gòu)和斷面過流能力的影響

一般水庫(kù)壩前區(qū)域水深較大，從數(shù)值量級(jí)上看，較小的水位變幅往往對(duì)應(yīng)著較大的流量變幅，分析壩前水位流量關(guān)系會(huì)發(fā)現(xiàn)：同一水位值往往對(duì)應(yīng)多個(gè)流量值，反之亦然，這種復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化的水位流量關(guān)系反映了人工調(diào)控對(duì)庫(kù)區(qū)洪水傳播造成的影響。在明渠緩流數(shù)值模型中，下邊界條件起著控制斷面的重要作用。在水庫(kù)實(shí)時(shí)調(diào)度過程中，由于要考慮下游防洪控制點(diǎn)對(duì)出庫(kù)流量的約束，有時(shí)必須按指定出庫(kù)流量過程進(jìn)行控制，這時(shí)上下邊界條件均為流量過程，在這種工況下，雖然模型預(yù)測(cè)水位與實(shí)測(cè)水位過程相位較接近，但是隨著預(yù)測(cè)時(shí)段的延長(zhǎng)，模擬壩前水位與實(shí)測(cè)壩前水位偏差一直較大[18，21,40]。當(dāng)前河道型水庫(kù)調(diào)度方案的制定多借助水文水動(dòng)力耦合的洪水演進(jìn)模型計(jì)算，壩前區(qū)域斷面被作為內(nèi)邊界或直接被作為下邊界條件使用，這種模型概化方式忽略了壩前區(qū)域水流從明渠流向孔口出流過渡的特性，把出庫(kù)流量作為下邊界流量來(lái)推算壩前水位，可能會(huì)引起系統(tǒng)性誤差，進(jìn)而導(dǎo)致壩前水位預(yù)測(cè)的錯(cuò)判。

近年來(lái)，圍繞河道型水庫(kù)近壩區(qū)泥沙淤積問題、水溫分層問題和水質(zhì)問題開展了很多研究，但是不同水位與出庫(kù)流量條件下，河道型水庫(kù)近壩區(qū)水流結(jié)構(gòu)和橫斷面過流能力變化規(guī)律尚有待深入研究。

隨著現(xiàn)代測(cè)流技術(shù)的發(fā)展，采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler,ADCP)的測(cè)流技術(shù)已經(jīng)在長(zhǎng)江口[41]、水庫(kù)雍水區(qū)[42-43]、大型深水庫(kù)[44]等復(fù)雜的天然水域得到成功應(yīng)用。搭載ADCP測(cè)流速、多波束測(cè)水下地形等多種測(cè)量設(shè)備的智能控制測(cè)量無(wú)人船也已研發(fā)成功，并可在大型船只無(wú)法到達(dá)的水域或危險(xiǎn)水域開展測(cè)量工作[45],該設(shè)備為開展汛期水庫(kù)近壩區(qū)主流區(qū)水流測(cè)速提供了必要的技術(shù)支撐。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維紊流數(shù)值模擬軟件技術(shù)的發(fā)展，一些專家學(xué)者已開始采用三維紊流數(shù)值模型研究天然河道水動(dòng)力學(xué)問題，并用于解決一些實(shí)際工程問題[38,41,46-47]。

水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度受調(diào)度規(guī)程、調(diào)度目標(biāo)和來(lái)水條件的約束，在一定來(lái)水條件下，為達(dá)到特定的調(diào)度目標(biāo)制定出庫(kù)流量過程，按照調(diào)度規(guī)程和機(jī)組閘門工況擬定機(jī)組和閘門開啟個(gè)數(shù)和時(shí)長(zhǎng)。對(duì)于一個(gè)運(yùn)行多年的水庫(kù)來(lái)說，積累了大量的歷史運(yùn)行調(diào)度數(shù)據(jù)資料，從中可以總結(jié)出特定來(lái)水條件和調(diào)度目標(biāo)下的典型水庫(kù)調(diào)度模式，研究這些典型水庫(kù)調(diào)度模式下水庫(kù)近壩區(qū)水流特性，總結(jié)斷面過流能力變化規(guī)律，有助于提高洪水演進(jìn)模型模擬預(yù)測(cè)精度。

3.2 庫(kù)區(qū)糙率率定問題

河道型水庫(kù)回水區(qū)水流屬于雍水下的非均勻緩流，糙率系數(shù)與天然河道的糙率系數(shù)不同，雍水下的非均勻流能量損失沿程減小，但糙率系數(shù)卻是沿程增大的，如何確定斷面各分區(qū)局部阻力系數(shù)隨水深變化規(guī)律是將來(lái)要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問題。

目前，河道糙率一般采用實(shí)測(cè)水文資料進(jìn)行推算。隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展，遙感在內(nèi)陸地表水監(jiān)測(cè)中開始日益發(fā)揮其重要的作用，所獲取的不同時(shí)間和空間分辨率的可用數(shù)據(jù)日趨豐富，數(shù)據(jù)精度也有望得到較大幅度的提升[48]。通過遙感獲取的數(shù)據(jù)為空間信息密集的面域數(shù)據(jù)，它可有效地驗(yàn)證水流在空間上的分布特征，可以用于糙率參數(shù)的率定[49-50]。利用無(wú)人機(jī)群可得到較短時(shí)間間隔的近壩區(qū)高分辨率(厘米級(jí))的正射遙感影像，提取影像水面范圍可用于模型糙率參數(shù)率定，這將為庫(kù)區(qū)河道糙率推算提供一種新的數(shù)據(jù)源。

4 結(jié) 語(yǔ)

河道型水庫(kù)在流域防洪工程體系中具有重要作用，通過總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外在河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題研究中所取得的重要成果，討論了現(xiàn)有研究的不足之處,提出了在相關(guān)領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題，為以后繼續(xù)深入研究河道型水庫(kù)洪水演進(jìn)問題提供參考。