高原乏資料地區(qū)梯級開發(fā)型河流水面線推算及應用

陳鑫池, 顧立忠, 劉畫眉, 蔡素芳

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2.廣東省第九批援藏工作隊，西藏 林芝 860003；3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000；4.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，廣州 510635)

江河湖泊具有重要的資源功能和生態(tài)功能，是洪水的通道、水資源的載體、生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。在河道管理范圍劃定、水域岸線保護與利用規(guī)劃、防洪治理與城市生態(tài)水系規(guī)劃等工作中，常以水面線的推求為基礎工作，且水面線的推算結果對工程的安全運行影響較大。常用的河道水面線推算方法主要有恒定流法、均勻流法以及非恒定流法[1]。河道恒定流法是根據能量守恒定律，由上、下游河道斷面水位推算出河道水面線。河道均勻流法假設河道水流流線互相平行，河道斷面的尺寸和形狀是恒定不變的，這2種方法都存在著較大的局限性[2-3]。河道非恒定流法是根據河道上、下游過水斷面水位和流速，由動量守恒和質量守恒原理進行水力計算，該方法應用范圍廣、適用性強[4-6]。

河湖管理涉及水域、岸線、采砂、排污口設置、涉河建設項目等方面，是水利社會管理的核心內容，是確保河湖資源可持續(xù)利用的重要工作[1]。對高原山區(qū)河流，河道管理范圍的劃定以河道設計水面線與岸坡的交線為基準，因此，河道水面線的推算結果直接影響到河湖管理范圍的空間與管控面積。河道水面線的推求除了對河道斷面資料要求較高外，一般需根據實測資料進行參數的率定驗證，高原山區(qū)河流站點稀少，且容易發(fā)生洪水與泥石流等自然災害，難以布設水文站點觀測到長序列的資料，很多站點工程在建設不久即被沖毀。不僅如此，沿河梯級水電站的開發(fā)對河道水面線影響也較大。因此，高原山區(qū)河流因其缺乏資料特性，增加了河道水面線計算的難度。

本文以位于林芝市工布江達縣的巴河曲為例進行水面線推求計算工作，并以此為基礎將其應用至巴河曲的河道管理范圍劃界工作。

1 研究區(qū)域與數據資料

1.1 研究區(qū)域

巴河曲是尼洋河上游左岸的一級支流，發(fā)源于錯高鄉(xiāng)拉瑪葉隆上游附近、念青唐古拉山脈東端南麓，從源頭流出后由西北向東南流，在錯高鄉(xiāng)久巴村折向南流，在錯高村下游匯入巴松措湖，流出巴松措后進入巴河鎮(zhèn)折向西流，在巴河鎮(zhèn)雪卡村下游右納最大支流朱拉曲后折向南流，最終在巴河集鎮(zhèn)附近于左岸匯入干流尼洋河。

全流域均位于工布江達縣境內，流域范圍具體為錯高鄉(xiāng)和朱拉鄉(xiāng)的全部鎮(zhèn)域范圍及巴河鎮(zhèn)的絕大部分鎮(zhèn)域范圍，干流河長為106 km，全流域面積為4 229 km2，水面落差為770 m，平均坡降為16.7‰，多年平均徑流量為61.5億m3，流域內高山冰川積雪面積有625.8 km2。

考慮巴松措湖口建有沖久水庫閘壩工程，本次研究范圍為巴松措湖口至巴河曲河口，河段全長約為38 km。

1.2 數據資料

研究區(qū)域資料匱乏，可參考資料不多，本文用到的資料包括3部分：

1)DEM數據，DEM 數據來源于 SRTMDEMUTM 90 m分辨率數字高程數據產品，空間分辨率為90 m×90 m。

2)收集的《西藏巴河老虎嘴水電站可行性研究報告》、《西藏巴河雪卡水電站(含沖久水庫)工程竣工安全鑒定設計自檢報告》等資料中關于水利工程的特性參數、調度規(guī)程；《尼洋河流域綜合治理和保護規(guī)劃修編報告》中關于巴河曲河口設計水位。

3)實測河道大斷面，共測量斷面70個，從上游至河口分別編號為A01～A70(如圖1所示)。

圖1 測量斷面分布示意

2 研究方法

2.1 一維水動力模型

本文結合實際情況，將巴河曲進行分段，采用一維水動力數學模型進行建模計算巴河曲水面線，該模型基于圣維南方程組建立，為描述水道和其他具有自由表面的淺水體中漸變不恒定水流運動規(guī)律的偏微分方程組，由反映質量守恒定律的連續(xù)方程和反映動量守恒定律的運動方程組成[7-10]：

(1)

(2)

式中：

x，t——空間坐標和時間坐標；

Q，h——斷面流量和水位；

A，R——分別為斷面過水面積和水力半徑；

g——重力加速度；

q——單位河長的旁側入流量；

C——謝才系數；

α——垂向速度分布系數。

2.2 水文比擬法

對無資料地區(qū)設計洪水的分析計算，前人已進行多種方法的探索[11-12]，本文因研究區(qū)域資料匱乏，無實測水文資料進行設計洪水分析，根據收集到的資料可知尼洋河干流上有更張水文站，本文采用水文比擬法進行巴河曲的設計洪水分析，水文比擬法計算公式如下：

(3)

式中:

Q1、F1——研究站點流量與流域面積；

Q2、F2——參證站流量與流域面積；

n——流域特征指數，參考相關資料與當地經驗取值。

3 結果與應用

3.1 河道分段處理

本次模型研究范圍從巴松措庫尾沖久水庫至巴河匯入干流尼洋河處為終點，全程約為38 km，研究范圍內建有2座梯級電站(如圖2所示)，分別為雪卡電站與老虎嘴電站，對河道水面線產生較大影響。

圖2 河道分段示意

本文以電站為模型中兩個節(jié)點，將河流分為3段進行模擬：巴河Ⅰ段，起點為沖久水庫，終點為雪卡電站攔河閘；巴河Ⅱ段，起點為雪卡電站攔河閘，終點為老虎嘴電站；巴河Ⅲ段，起點為老虎嘴電站，終點為巴河匯入尼洋河河口。

3.2 設計洪水分析

根據《防洪標準》(GB 50201—2014)，巴河干流防洪標準應為10—20年一遇計，本文按照P=5%與P=10%標準進行設計洪水分析。巴河流域屬無資料地區(qū)，僅有相關工程設計報告與干流尼洋河規(guī)劃報告等資料可參考，因此設計洪水采用水文比擬法進行計算，本文根據工布江達縣DEM數據提取各控制節(jié)點的流域范圍，計算其流域面積見表1所示。

表1 各控制節(jié)點流域面積 km2

參考尼洋河干流更張水文站的設計洪水結果，采用水文比擬法計算得到各控制節(jié)點P=5%與P=10%的設計洪水見表2所示。

表2 水文比擬法計算結果 m3/s

從表2中可以看出，雪卡電站與朱拉曲洪峰流量之和高于老虎嘴洪峰流量，為干流安全考慮，采用上游與下游同頻區(qū)間相應法對以上結果進行重新計算，結果見表3所示。

表3 各控制節(jié)點設計洪水計算結果 m3/s

3.3 水面線計算結果

3.3.1下邊界條件

參照雪卡電站與老虎嘴電站的工程設計報告，模型的下邊界條件根據水利工程基本特性與調度規(guī)則確定，結果見表4所示，其中巴河Ⅲ段根據尼洋河規(guī)劃報告中對應節(jié)點的水位成果確定。

表4 模型下邊界水位條件 m

3.3.2模型參數

由于本研究區(qū)域缺乏實測資料對模型進行率定工作，因此河道糙率依據《水利計算手冊(第二版)》中對國內糙率的相關規(guī)定進行選定，根據巴河曲特征確定本文各河段的糙率取值，其中巴河Ⅰ段取值為0.04～0.05，巴河Ⅱ段取值為0.035～0.045，巴河Ⅲ段取值為0.04～0.05，具體取值根據斷面所處位置河道特征確定。

3.3.3水面線計算結果

根據以上分析建立一維水動力數學模型計算巴河曲P=5%與P=10%條件下設計洪水水面線結果見表5所示，限于篇幅，表中僅列出圖1中指示的斷面與重要節(jié)點的水位結果。

表5 水面線計算結果 m

從表5中可以看出，P=5%與P=10%條件下設計水位差別不大，平均在0.1 m以內，P=5%條件下設計洪水與河道深泓高程對比如圖3所示。

圖3 巴河曲水面線P=5%計算結果示意

圖3中藍色線為巴河曲河道水位過程線，紅色實線為實測斷面深泓線，從圖中可以看出，沖久水庫至雪卡電站段水位沿程逐漸下降，雪卡電站有攔河閘影響，水位有一定的突降，至老虎嘴電站，由于電站的調蓄作用，水位落差變大，老虎嘴電站之后至巴河出口，水位平穩(wěn)下降。從起點至終點河流水面落差為263.9 m，沖久水庫至巴河站河流水面比降約為6.96‰，巴河全流域平均比降約為7.26‰，水面比降較為接近。

3.4 結果應用

本次工作依據水面線計算結果，將其應用至河道管理范圍工作中。根據河道管理范圍線的定義與有關劃定標準，無堤防的河段以水面線與沿岸交接線為基準確定管理范圍。本文以巴河曲水面線結果與沿岸交接線為巴河曲管理范圍，偏安全考慮，本文在劃定河道管理范圍時以P=5%設計條件計算結果為準。因河段較長，本文以老虎嘴電站以下的河段為例展示應用結果(如圖4所示)。

圖4 老虎嘴電站至河口段河道管理范圍劃定結果示意

4 結語

本文在充分收集林芝市巴河曲與沿河梯級相關資料的情況下，參考相應技術規(guī)范，利用水文水動力學方法建立一維水動力數學模型，計算巴河曲10年一遇與20年一遇水面線，并將20年一遇水面線計算結果應用至巴河曲河道管理范圍劃定工作中，對高原地區(qū)與其他無資料地區(qū)的河道水面線推求工作的進一步開展具有一定的示范與推動作用，為高原地區(qū)河長制的進一步實施，建立嚴格的河湖管理制度起到積極作用。此外，該項工作除用于河道管理范圍劃定工作外，還可應用于其他以水面線為基礎的河湖管理、保護與流域規(guī)劃等有關工作。