多支流汇入的河道洪水演算

【摘要】洪水灾害作为常见的自然灾害造成的损失是非常巨大的，在科技发展的今天，利用科学技术对河道进行洪水演算有利于提高河流的防洪水平。文章结合实例分析了多支流汇入的河道洪水演算方法。

【关键词】多支流；河道；洪水演算

中图分类号：G353文献标识码： A

一、前言

洪水演算是利用建模的方式，参照历史洪水资料对洪水进行的演算。在实际的演算中，综合多种因素进行分析，可以更好的为河流区域防洪提供理论依据。

二、洪水演算应注意的方面

1.要进行正确的施工导流。在施工过程的分期洪水计算中要将水流通过正确的方式引向建筑物泄向下流。并且在制定施工导流的过程中要设立方案，在方案中确立步骤和流程，每一步都要按照正确的方向有效率的运行。同时要设立导流标准，按照规定的正确标准来运行。方式也要正确，包括河床内导流和河床外倒流两种方式，要根据不同的情况采取不同的方式，并且要控制正确的水量。要符合相关的规范，不可出现污染的现象，导流的流向要在下坡同时不可有建筑物和居民。

2.要注意防洪措施。施工过程的分期洪水计算中要注意防洪的措施。要建立河道整治工程，在河道的整治下减少洪水对工程的危害。建立洪水预警和河道管理的措施。在有洪水危害的地点有专门的报警装备可以起到防范作用。同时在出现危险的地方要，及时出现救助人员，及时把危险降到最低，保护工程和人员的安全。加大对河道的管理，通过河道建立项目使河道安全化，工作人员要划分危险区，危险区内周围群众禁止入内。只有在措施的保护下才能更好的完工。

三、水力学方法演算洪水

1.基本原理

用槽蓄增量关系求解圣维南方程组模拟洪水演进的方法，是将圣维南基本微分方程组在t时段简化为水量平衡方程式和动力方程式后，根据水量平衡方程式和动力方程式可以分别计算河段槽蓄增量：一是根据水量平衡方程式可计算槽蓄增量，二是根据时段初、末的两个动力方程式也可计算槽蓄增量。由于两种方法计算的河段槽蓄增量应相等，因此，这一发现就为水力学方法求解圣维南方程组模拟洪水演进提供了一种新的、可靠的方法。

用槽蓄增量关系求解圣维南方程组模拟洪水演进的方法，属于水力学方法范畴。该方法既与水文学方法和现行的水力学方法有相似的地方，也有不同的地方。

与水文学方法相似的地方是都涉及到了河段槽蓄内容；不同的是水文学方法如“马斯京根法”是将动力方程式近似变为蓄泄方程式后与水量平衡方程式联解，而该方法是直接将水量平衡方程式与动力方程式联解。

与现行的水力学方法相比，相同之处是都涉及到了需要河道地形资料和依据水文资料率定河段糙率；不同的是，该方法将基本微分方程在 时段简化为水量平衡方程式和时段初、末的两个动力方程式后联解。即：

天然河道中洪水波的演进与变形可用圣维南方程组表示:

式中: A为过水断面面积, m2;Q为流量, m3/s;v为断面平均流速, m/s; t为时间, s; s为距离, m; if为摩阻坡度; i*为河底坡度;h为断面平均水深, m; g为重力加速度, m/s2。

将圣维南基本微分方程组（即水流连续方程（不计区间流量）⑴和水流运动方程⑵）在t时段简化为水量平衡方程式⑶、动力方程式⑷和动力方程式⑸：

利用同一河段中的上、下游河道横断面资料，假设某一级差后，先计算测站水位与过水断面面积W、湿周X、水力半径R，然后计算出河段（nq）2值。

有支流的河道洪水预报, 水文学方法有先合后演法和先演后合法。先演后合法是对演算河段干、支流分别建立马斯京根演算模型, 推求出各河段洪水出流过程后, 在出流断面进行线性叠加求得出流过程, 适用于地形或坡度比较陡, 干、支流相互影响较小的地区。对干流和各支流马斯京根线性演算公式进行叠加, 可以得到有支流的马斯京根综合演算公式:

式中:i为河流干、支流编号。

2.将河段（nq）2累计就可以点绘出“控制曲线”。

图解法是根据数组点绘成河段控制曲线图查算水位，第一步是按下游站水位查出对应的值，第二步是加上河段（nq）2值得出新的，第三步是按新的值查出对应的上游站水位；

计算机求解法是按图解法的基本原理，在数组中通过插补计算完成求解上游站水位的工作。由于水位级差越小，数组就越多，插补计算的误差就越小，因此，本项目水位级差取0.1m。

四、推求方法

大山口是开都河的主源，据大山口水文站1956～2003年多年统计，超过防洪标准600m3/s以上的年最大洪水流量达11年次，尤其1999年、2000年相继测到有水文记载以来的特大洪水1 870m3/s和1 100m3/s的洪峰流量。

黄水沟是开都河下游段的最大支流，据黄水沟水文站1956～2003年多年统计，超过防洪标准120m3/s以上的年最大洪水流量达25年次，尤其1996年发生的602m3/s的洪峰为历年实测之最。以开都河现有控制站大山口站实测洪水过程为主，以黄水沟站的实测洪水过程为辅。用线性特征河长连续演算法，分别推求各站洪水过程到达下游焉耆站的过程。两站推求的洪水过程按时间对应叠加，求得两站洪水过程到达下游焉耆站的洪水叠加过程。

1.线性特征河长连续演算原理

把演算河段（上游站至下游站之间的河段）按特征河长划分为N个单元河段。根据特征河长的概念，每个单元河段的槽蓄量与其下断面流量之间应当呈单值关系。假定每个单元河段的此种关系均为线性，则将它们与各自的河段水量平衡方程式联立，就得到用于描写河段洪水波运动的微分方程组：

式中：I（t）、O（t）――整个演算河段的入流过程和出流过程；O1（t）、O2（t）、…、ON-1（t）――第1、2、…、N-1单元河段的出流过程；K1、K2、…、KN――第1、2、…、N单元河段的槽蓄系数。

当各单元河段的槽蓄系数均不随流量变化时，该微分方程是线性的，满足叠加原理。

消去所有的中间变量O1、O2、ON-1，得一等价的N阶常微分方程：

O（t）+（K1+K2+…+KN）dO/dt+（K1 K2+K1 K3＋…）d2O/dt2+（K1 K2 K3＋…）d3O/dt3＋…+K1 K2 K3…KN dNO/dtN=I（t）

当K1=K2=K3=…=KN=KL时，

Kι――洪水波在特征河长内的传播时间。

N阶常微分方程变为河段汇流曲线：

瞬时单位线中包含两个待定参数N和Kι。根据它们的物理意义可分别用下列二式计算确定：N=L/ι和Kι=ι/Ck

式中：L―为上游站至下游站的河段总长，ι―为特征河长，Ck―为河段中洪水波的波速。

根据实测流量资料可求得：特征河长ι=Q/ioBCK，波速Ck=dQ/dA

式中：Q、A、B、io分别为实测流量资料中的流量、断面积、水面宽、水面比降。

由O（t）=I（t）*u（t）计算入流过程对应的出流过程。

2.连续演算法实际应用

选用1987～1999年，大山口站大于400m3/s的实测流量资料、黄水沟站大于100m3/s的实测流量资料和焉耆站大于100m3/s的实测流量资料，建立各站的流量与面积（A）、平均流速（V）、水面宽（B）等各项水文要素关系，按流量整数值（百位数）查出对应的各要素值，按波速Ck=dQ/dA、特征河长ι=Q/ioBCk，进行分析计算。分别计算出大山口站和黄水沟站各级流量对应的波速与特征河长，绘制出大山口站和黄水沟站的流量与波速、特征河长的相关曲线。

选用对应的S（t）曲线，从各站选取的S（t）曲线上按t=n（h）读取S（t-t）数据，进而求得各站自所对应的u（t，t）瞬时单位线数据，按O=I*u（t，t）式计算瞬时入流所对应的瞬时出流。由此就可以用上游大山口站的入流过程，计算出到达下游焉耆站的出流过程。黄水沟站的入流过程，计算出到达下游焉耆站的出流过程。将大山口站、黄水沟站到达焉耆站的出流过程按时间对应叠加，就得到两站联合演算的叠加过程。

五、结束语

通过以上的论述，有了洪水演算方案中，我们就可以在实际的防汛工作中做出有效的预警。在实际应用中，我们还应加强对数据库的建设，确保信息的可靠性和精度。

参考文献：

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