西北内陆河流出山口以下水面曲线计算方法
西北内陆河流出山口以下水面曲线计算方法（刘祖辉 张静怡 管
晓媛 姜钧耀）
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时间： 2013-08-21 11:06:01 来源：水电能源科学 放大
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摘要：为给堤防防洪工程设计计算水面曲线提供参考，以新疆喀什克孜河为例，研究了西北内陆河流的自然状况、洪水成因及类型特性，并探讨了克孜河流量沿程损失的处理方法，采用调查历史最大洪水沿河长变化的方法确定工程河段上、下游洪峰流量求得河道流量衰减率，应用HEC-RAS 和MIKE11方法计算水面曲线。结果表明，该方法行之有效、可靠，百年一遇水面线推求结果均低于堤防设计堤顶高程1．71～4．36m 。
关键词：西北内陆河流；流量沿程损失；水面曲线；HEC-RAS ；MIKE11
中图分类号：TV133 文献标志码：A 文章编号：1000-7709（2013）04-0096-04
Water Surface Profile Calculation Method for Mountain Outlet Underwater of Northwest Inland River
LIU Zuhui ，ZHANG Jingyi ，GUAN Xiaoyuan ，JIANG Junyao
Abstract ：The design of embankment flood control engineering always depend on water surface profile calculation ．Taking Kezi River in Kashi ，Xinjiang for an example ，the nature conditions ，causes and features of the flood in northwest inland river are studied ．Then the flow pipeline loss is discussed ．The method of investigating historical maximum flood change along the watercourse is used to determine the peak flow between upper and lower reaches ．And then the decay rate of flow is calculated ．Finally ，HEC-RAS and MIKE11are applied to calculate the water surface profile ．The results show that the method is effective and feasible ；the water surface profile once in a century is lower 1．71to 4．36meter than the design crest elevation ．
Key words ：northwest inland river ；pipeline loss ；water surface profile ；HEC-RAS ；MIKE11
西北内陆河流多位于欧亚大陆腹地，一般有高山环绕，区域内降水稀少，蒸发强烈，气候干燥，昼夜温差大，以极度干旱的大陆性气候为主。其洪水的成因与类型复杂。除流域特征、河槽特性外，流域源头的冰川覆盖率、积雪深度、密度及分布状况和气温的正积温、降水强度等均对洪水形成起较大的作用。这些影响因子导致西北内陆河流洪水主要有冰雪融水型、暴雨型、雨雪混合型和泥石流溃坝型四种类型洪水［1］。由于地质条件和地理位置特殊，河流在出山口以下，河床往往不稳定，水流分散，水量因渗漏和引用而减少，
流量沿程衰减是西北内陆河流区别于其他地区河流的一个比较典型的特点。通常出山口以下水文站网较稀疏，部分区域实测资料很少或无，这就为水面曲线的推求和一些重要防洪工程的设计及安全运行带来困难。鉴此，本文以新疆喀什地区克孜河堤防工程为例，研究和分析了洪水特性和水面曲线计算。
1 克孜河水文特性
1．1 自然地理
喀什市地处东经75°56′10″～76°4′36″，北纬39°25′18″～39°35′20″之间，是南疆喀什地区政治、经济和文化中心。喀什市的母亲河就是克孜河，隶属喀什噶尔河水系，发源于帕米尔高原与西南天山山脉交界处的冰峰雪岭，其南侧接受帕米尔高原来水，北侧接受天山来水，是喀什噶尔河水系第一大河，全长525km，流域面积24 143km2，多年平均年径流量21．73×108 m3。
1．2 洪水类型及成因分析
克孜河属洪水多发性河流，基本未得到治理，山区河段无控制性龙头水库调控洪水，现有河道行洪能力不足，洪水灾害连年发生。该河是一条以冰雪消融补给为主的河流，夏季冰雪消融是河流洪水形成的基本原因。由于克孜河流域面积大，支流地形、地貌特征、水流条件、流域形状等形成河流洪水的基本要素存在较大的差异，致使克孜河洪水的成因与类型更具复杂性。克孜河的雨、雪特点和流域地形、地貌、植被、地表土石风化等下垫面特征，形成了洪水的四种类型：①冰雪融水型洪水。是克孜河发生频次最高最基本的一类洪水，年最大洪峰、年际过程相对平缓，多集中于6月，与升温关系密切，洪水过程具有明显的日变化。②暴雨型洪水。区域持续性降水，当降雨强度较大时，流域超渗产流会形成克孜河的暴雨洪水，洪峰较大。时间较集中，较大的暴雨洪水几乎全部发生于7月下旬～8月中上旬，峰高量小，洪水过程单一，陡涨陡落，洪水历时短。③雨雪混合型洪水。主要为降雨洪水与融水洪水叠加而成，易发生在汛期，当高空气温增加，促使融冰雪水量增大，河水上涨后，恰遇中低山区降雨形成的洪水，两者叠加而成。多发生于5～8月，峰值不高，但量大历时长。④溃坝型洪水。是由两类或三类性质不同的洪水叠加而成，该型洪水的特征取决于参与叠加的各型洪水特定的生成条件、规模、洪水遭遇的时机等多方面因素，因而场次洪水特征千差万别，远较单型洪水复杂。
2 堤防设计概况
为从根本上消除洪水对喀什市的威胁，确保喀什市的经济健康发展，拟为河段修建防洪堤。新建防洪堤防洪标准为50年一遇，位于新五里桥上游1．5km至天南维其克渠首下游2．0km处河段，全长5km。为给堤防工程设计提供参考［2］需进行水面曲线的推求，计算断面间距200m。该工程河段位于出山口以下，附近无水文站，缺少水文资料，河床渗透量较大。工程位置示意图和计算断面平面分布图见图1、2。
图1 工程位置示意图
Fig．1 Diagram of engineering position
图2 计算断面平面布置
Fig．2 Diagram of calculation section
3 水面曲线计算
3．1 计算方法
常用的计算方法为试算法、迭代法、图解法，亦可借助于HEC-RAS、MIKE11、SOBEK-RURAL ［3，4］等模型软件模拟计算。水面曲线的推求一般是从下游往上游计算，传统的计算方法求解过程一般较复杂且易产生积累误差。本文应用HEC-RAS软件、MIKE11中的HD 水动力模型两种方法求出了较合理的水面线结果。
3．2 模型和算法简介
3．2．1 HEC-RAS模型
该模型主要用于天然或人造河网的一维水力学计算，其恒定流模型是逐断面采用直接步进法推求水面线。适用范围要求流量稳定、逐渐变化或流量一维，河道平均坡降小于1∶10。计算原理基于一维能量方程［5］：
式中，z为单位位能；p/（ρg）为单位压能；v2/（2g）为单位动能；α为动能校正系数；hw为水头损失。
HEC-RAS计算步骤为建立方案、建立河道几何资料、建立边界条件、执行程式、最后输出计算结果。
3．2．2 MIKE11模型
该模型是专门研究一维水动力、水质、洪水预报和溃坝分析等方面的水利软件，具有较好的河流模拟能力。MIKE11中的HD水动力模型主要包含河网文件、断面数据、边界条件和模型参数条件这几个数据文件，并将水面曲线计算归结为求解一维非恒定流
Saint-Venant方程组［5］：
式中，A 为过水断面面积；Q 为流量；t为时间；x为沿水流方向沿程距离；h 为断面水深；qL为旁侧入流；g 为重力加速度。
模型中，圣维南方程采用有限差分格式为6点Abbott-lonescu格式［6］，需注意在输入断面数据时上下游边界断面资料需单独输入。
3．3 初始条件和边界条件
给定恒定非均匀流作为河道初始流条件，计算边界比例为1∶5 000的水下地形图，河道计算糙率采用0．04。边界条件分为给定流量边界、水位边界和水位流量关系曲线三种。由于仅有新五里桥位置的水位流量关系曲线，因此通过设计洪水计算求得工程河段上边界流量，再通过衰减计算获得下游流量，便可查关系曲线得下边界水位。
（1）设计洪水计算。卡甫卡站无实测洪峰流量系列资料，仅能采用卡拉贝利和卡浪沟吕克两站同期的流量过程线叠加推求干支流组合卡甫卡站计算系列；考虑区间洪水后，再用区间洪水与干流洪水的组合遭遇同频率叠加推求得卡甫卡站设计洪水，最后综合卡拉贝利水库泄流和吐曼河导洪入流和分流，可得卡甫卡最终设计洪峰流量。
为防洪安全，假设卡甫卡—天南维其克有少量区间产水与河道沿程衰减相抵消，最后根据求得的衰减率计算得新五里桥的设计洪峰流量。
（2）衰减率计算。由于出山口以下河段附近无水文站、区域水文资料不足，采用对历史洪水进行调查的方法确定河段洪峰流量沿程衰减损失。为工程安全考虑，选取历史洪
水洪峰流量最大的一次，调查此次洪水沿河长变化的资料，最终确定工程河段上下游的洪峰流量。则衰减率为：
C衰＝（Q1-Q2）/L （4）
式中，Q1、Q2分别为上下游断面流量；L为沿程距离。
天南维其克枢纽距离七里桥19．0km，大桥配水站距离天南维其克15．5km，将七里桥处与大桥配水站处两流量相加作为下游站的流量，距离为19．0km，据此得到的相对衰减率（表1）可作为推算设计堤防段的设计洪水依据。
表1 1999年工程河段洪峰流量沿程衰减计算
Tab．1 Decay rate calculation of peak flood in 1999
注：① A为卡甫卡—天南维其克河段；B为天南维其克—（七里桥＋大桥配水）河段；
②该表为洪水调查资料。
本文堤防设计段位于天南维其克—七里桥之间，所以采用平均衰减率为1．00％/km。
3．4 水面曲线计算
（1）50年一遇设计流量水面曲线计算。上边界为天南维克北支渠首，设计流量为1 800．00m3/s，按沿程衰减率1．00％/km计算得各断面的设计流量。下边界为新五里桥，经计算设计流量为1 648m3/s，根据该断面水位流量关系表查得起算水位为1 247．84m。
（2）百年一遇设计流量水面曲线计算。为给设计堤顶高程的安全度提供可靠性参考，进行百年一遇设计洪水条件下的水面曲线计算。上边界设计流量为2 288m3/s，按沿程衰减率1．00％/km计算各计算断面的设计流量。经计算，下边界设计流量为2 094m3/s，查表得起算水位为1 248．36m。
4 结果与分析
（1）表2为水面曲线推求结果。由表可看出，两种方法在不同设计频率下推求的水位沿程变化趋势基本一致。百年一遇水位与50年一遇水位平均相差0．20m，MIKE11模型推求结果相对较高，平均高于HEC-RAS方法0．34m和0．39m。
（2）图3为50年一遇流速对比。由图可看出，两种方法推求结果变化趋势基本一致，HEC-RAS波幅相对较大，MIKE 较平稳；垂线平均流速HEC-RAS模型推求结果较高，平均为
3．46m/s；MIKE为2．69m/s。
表2 水面曲线推求结果
Tab．2 Result of water curve m
（2）图3为50年一遇流速对比。由图可看出，两种方法推求结果变化趋势基本一致，HEC-RAS波幅相对较大，MIKE 较平稳；垂线平均流速HEC-RAS模型推求结果较高，平均为3．46m/s；MIKE为2．69m/s。
图3 50年一遇流速对比
Fig．3 Velocity contrast in half a century
（3）百年一遇的水面线高于50年一遇0．13～0．34m，HEC-RAS和MIKE11百年一遇水面线分别低于堤防设计堤顶高程1．73～4．81、1．49～4．15m，满足设计堤防标准，说明计算结果可靠。
5 结语
a．研究气候、地理位置特殊的新疆喀什克孜河洪水成因和类型，对进一步认识西北内陆河流的水文规律具有重大意义，也为未来的防洪减灾和影响评价等提供依据。
b．本文确定的河道流量沿程损失的处理方法安全可靠，且起算水位以衰减后的流量计算结果更为准确，可应用于资料匮乏等类似地区的河道水面曲线计算。
c．采用HEC-RAS和MIKE11两种方法计算新疆地区水面曲线，结果可靠，具有较高的参考价值。在工程应用中，若水位对工程影响较大，可采用MIKE11进行推算；若流速对工程影响较大，建议采用HEC-RAS进行模拟计算。在防洪重点地区可结合二者进行推求，经合理分析后可有选择的应用。
参考文献：
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［6］郑国栋，荣小红，黄东．Abbott六点中心格式应用研究与探讨［J］．水动力
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作者简介：刘祖辉（1988-），男，硕士研究生，研究方向为水信息理论与技术。