珠江三角洲天河水文站水位过程预报方案改进

ｈｔｔｐ：／／ｒｍ￣．ｐｅａｒｌｗａｔｅｒ．ｇｏｖ．ｃｎ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—９２３５．２０１７．７．０１４　第３８卷第７期人民珠江　２０１７年７月ＰＥＡＲＬ　ＲＩＶＥＲ　卢康明，徐爽．珠江三角洲天河水文站水位过程预报方案改进［Ｊ］．人民珠江，２０１７，３８（７）：６５—６８　珠江三角洲天河水文站水位过程预报方案改进　卢康明　，徐（１．水利部珠江水利委员会水文局，广东广州爽　广州５１０６１０）　５１０６１０；２．水利部珠江水利委员会，广东摘要：结合河网洪水演进数值模拟，对天河水文站水位预报方案上游来水影响预测改进，解决了原方案仅适用上　游来水以西江洪水为主的问题。改进方案增加了天河站潮汐影响随上游来水增大而逐渐减小的趋势分析，提高了　天河站高水位过程的预报精度。应用于２０１５年５月以北江干流来水为主的洪水和２０１５年６月以西江干流来水的　洪水为主的模拟预报，方案成果符合预报规范要求，可为珠江三角洲感潮河网地区日常防汛提供技术参考。　关键词：感潮河段；河网洪水演进数值模拟；潮汐影响权重　中图分类号：Ｐ３３８　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－９２３５（２０ｌ７）７－００６５－０４　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｓｔａｇｅ　Ｆｏｒｅｃａｓｔ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｔｉａｎｈｅ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｅａｒｌ　Ｒｉｖｅｒ　Ｄｅｌｔａ　ＬＵ　Ｋａｎｇｍｉｎｇ　，ＸＵ　Ｓｈｕａｎｇ　（１．Ｐｅａｒｌ　Ｒｉｖｅｒ　Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ　Ｂｕｒｅａｕｏｆ　ｔｈｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６１０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｐｅａｒｌ　Ｒｉｖｅｒ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｉ７　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０６１０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ．ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｔａｇｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｔｉａｎｈｅ　ｈｙｄｒｏ—　ｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｍｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｏｎｌｙ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　Ｘｉｊｉａｎｇ　ｌｆｏｏｄ（ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｅｓ　ｆｒｏｍ　ｕｐｓｔｒｅａｍ）ｂｅｆｏｒｅ．Ａｎｏｔｈｅｒ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｒｅｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｉｄａｌ—ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｗｅｉｇｈｔ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒａｉｓｅ　ｔｈｅ　ｉｍｉｔａｔｉｖｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｗａｔｅｒ　ｓｔａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｌｆｏｏｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｍｅｓ　ｆｒｏｍ　Ｂｅ￣ｉａｎｇ　ｒｉｖｅｒ　ｉｎ　Ｍａｙ　２０１５　ａｎｄ　Ｘｉｊｉａｎｇ　ｒｉｖｅｒ　ｉｎ　Ｊｕｎｅ　２０１５．Ａｌｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｍｅｔｉｔｓ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｏｆｆｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｃｉｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｉｄａｌ　ｒｉｖｅｒ　ｌｏｏｄ　ｃｏｎｔｆｒｏｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｅａｒｌ　ｒｉｖ—　ｅｒ　ｄｅｌｔａ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｄａｌ　ｒｉｖｅｒ；ｆｌｏｗ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｗｅｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｉｄａｌ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　珠江三角洲是中国华南沿海经济发达地区，洪水主要来　源有西江干流和北江干流，并且受到南海潮汐影响，河网感　短期水位预报。但有待完善，如天河站上游来水，即西、北江　来水经思贤溜重新分配后组成问题，以及最终水位合成时洪　潮影响权重问题。本文在原预报方案基础上，尝试结合河网　洪水演进数值模拟方法和潮汐影响权重分析结果，完善天河　潮现象明显。思贤涪是珠江三角洲上游顶点，是西江干流和　北江干流相互沟通的水道，当西、北江水流到达思贤溜后，经　自然调节分流进入珠江三角洲河网区…。天河水文站是珠　江三角洲重要水文控制站点，洪水期受洪潮因素共同影响，　水文站水位过程预报方案，提高预报精度与适用范围。　１改进的预报方案　涨潮段使水位涨率增大、退率减小，落潮段使水位涨率减小、　退率增大　Ｊ。结合天河站洪水特性，作者曾于２０１１年根据　上游来水和下游潮汐是引起天河站水位变化的主要成　因，预报方案首先采用滤波法分离出两种影响因素，然后采　用河网洪水演进数值模拟方法、上下游水位相关法预报天河　站滑动平均水位，采用潮汐调和分析方法预报天河站潮汐水　潮汐调和分析等方法，分析研究了一套天河水文站水位过程　预报方案　Ｊ。研究区域水系简化见图１。　方案分离引起天河站水位变化的上游来水和下游潮汐　影响因素，采用上下游水位（流量）相关法和潮汐调和分析法　分别进行数值模拟，合成得到天河站预报水位过程。方案原　理清晰、计算简便，适用于单纯西江干流洪水影响下天河站　位，最后根据潮汐影响权重分析结果修正得到天河站合成水　位过程。改进的天河站水位过程预报方案结构见图２。与原　预报方案相比，本文在以下两个方面做了改进。　收稿日期：２０１７－０２－１６　作者简介：卢康明，男，主要从事水文预报及计算水力学方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｋａｎｇｍｉｎｇｌｕ＠１２６．ｃｏｉｎ　６５　人民珠江２０１７年第７期　分析，在偏微分方程的数值离散中应用最为广泛。　』等＋　～　㈩　＝０　署一一　盐～撇一水一　拟　模　嗍霸　　～鉴ｌ　２．１有限差分显格式和隐格式　Ｉ　Ｏｔ＋　（　（，ｕ）＋ｇＡ　＋　水流一维模型常用有限差分离散方法有显格式和隐格　式　显格式具有条件稳定要求，时间步长相对要小一些，常　用的有：时间带权向前差分、空间中心差分的Ｌａｘ格式、时间　和空间均采用中心差分的Ｌｅａｐ—Ｆｒｏｇ格式等。隐格式稳定　图１　研究区域水系简化　般　一功位一琳　　一　一一性较好，但每一时间步长都需要解线性方程组，计算工作量　较大，常用的有：４点线性隐格式　（Ｐｒｅｓｓｉｍａｎｎ格式的改　进）、用存储宽度改写基本方程、水深与流量变量在沿程断面　相间布设的Ａｂｂｏｔｔ格式等。除４点线性隐格式外，其他格式　Ｌ广　合求解。　在边界处理时需要用特征线法补充条件来满足方程组的闭　２．２　４点线性隐格式离散方程　４点线性隐格式见式（２），代入圣维南方程组得到有限　差分离散的连续方程（３）和动量方程（４）　图２改进的天河站水位过程预报方案结构　＝　　一ａ）上游来水同时考虑西江洪水和北江洪水的作用。思　贤溶连通西江和北江，当珠江三角洲上游来水以西江来水为　主时，应用原预报方案上下游相关法叮较快捷地预报天河站　上游来水影响的水位结果；当珠江三角洲上游来水以北江来　水为主时，北江洪水经思贤涪进入两江干流水道，影响天河　ｍ　ｆ：１　　△　ｗ　（２）　、　２Ａｔ　Ｉ—　Ｉ　±　二　二　：　Ｑ｜　ｌ—Ｑｉ＋Ｃ｜ｚｉ　、＋Ｃ　ｚｉ＝Ｄｉ　站的水位过程，原预报方案受限，需改为使用本文建立的西　江干流和北江干流河网洪水演进模型计算得到马口站水位　过程．再由马口与天河的上下游水位相关关系推求天河站上　寺ｆ＋『｛△　　１）Ｊ　ｑ＋ｉＩ…＂｜　ｉｎ（３）　游来水影响的水位结果。　ｂ）考虑潮汐波动随上游来水变化的影响作用。南海潮　汐波动进入珠江三角洲之后，在向上游传播的过程中，受河　ＥｉＱ　Ｊ＋Ｇ｜Ｑｉ＋Ｉ＋Ｆｉ　Ｚ　—Ｆｉｚｉ＝由ｉ　Ａ　，Ｃｊ＝道径流顶托、河床阻力等作用，能量逐渐损耗，潮差越来越　小。对同一断面来说，上游来水增大，潮汐波动衰减越明　。　＝２（ａ　）　＋（　）　（４）　本文预报方案分析洪水期问天河站水位预报过程中潮汐影　响部分的权重关系，以提高水位预报的整体效果。　２河网洪水演进数值模拟　＝２　Ａｔ　“川ｎ＋（　）　（ｇａ）ｊ　÷　（　＋　）　西江干流和北江干流在珠江三角洲经思贤溶连通，属感　潮河段，水流状态可采用圣维南方程描述，见式（１）　、圣维南　＝　方程中ｃ，，，Ｊ，，　，，Ｇ，，Ｆ，，　，均由初值计算，所以方程组为　常系数线性方程组。其中上标ｎ表示时问层，下标　表示空　问层，　表示空间步长，　表示时间步长；Ｂ为断面的水面　方程属于非线性偏微分方程，目前无法得到解析解。水流数　值计算中将圣维南方程在划分网格上离散成控制方程以便　于求得原方程组的近似解。假设近似解（由待定系数与一组　线性无关的基函数组成）满足边界条件．并令其代人原方程　产生的余量加权积分为零，将微分方程组整体转化为线性方　程组，求出近似解中的未知系数来完成解的逼近过程　。选　取不同的权重系数进行加权积分就能形成各种离散方法，应　宽度，ｑ为旁侧单宽人流，ａ为动量校正系数，“为断面平均　流速，ｇ为重力加速度，ｃ为谢才系数，Ａ为过水断面面积。　２．３河网水流方程组的建立与求解　对一条具有　一，Ｊ，个河段的河道，见图３，有２×（Ｌ—　＋１）个未知变量，可以列出２×（Ｌ　一Ｌ，＋１）个方程，需要　用较多的是有限差分法、有限元法和有限体积法。其中有限　差分法数学理论比较成熟，结果精度可基于偏导数泰勒展开　６６　加上河道两端的边界条件，才能形成封闭的代数方程组，采　用追赶法可以求出河道的水位和流量。　人民珠江２０１７年第７期　厶　上ｌ＋１　图３单一河道断面示意　对于河网的水流模拟，可以采用三级解法求解。以河网　节点水位为基本变量，对内河道水流的差分方程，先以首、末　断面水位为基本未知量，利用三系数追赶方法，递推求解首、　末断面流量与首、末节点水位的线性函数关系；根据节点相　容条件，见式（５），建立河网节点水位求解方程。　假定用圆形表示河网虚拟的节点，长方形表示河道，见　图４，以构造节点Ｐ　的方程为例，有相容条件式（５）：　Ｊ＿ｐ　％一Ｑ　（　）　ｚ　（５）　Ｌｚ暑＝琵＝Ｚ　Ｒ　＝ＺＰ，　将单一河道水位追赶关系代入相容条件就能够得到以　节点Ｐ　水位为主元的线性方程，见式（６）。　糕　肾　豁驿　０（Ｐ２，Ｐ２）‘ｚ　＋口（　，Ｐ】）。Ｚ尸ｌ＋０（Ｐ２，ｅ３））‘Ｚｐ３＋０（Ｐ２，尸４）。　ＺＰ　＝ｂｆⅢ一一一一㈣一一一～一Ｐ，、　　（６）　对河网中的每个节点进行相同的处理，得到以节点水位　为自由变量的线性方程组。线性方程组可以用直接法或迭　代法求解，合适的迭代法能提高计算效率。再把节点水位回　代三系数追赶方程，可以求出断面的水位和流量，实现河网　水流的模拟（图４）。　图４节点方程构造示意　３潮汐影响权重分析　滤波法将天河站水位过程潮汐影响部分挑选出来，应用　中期潮汐调和分析方法可以模拟及预报天河站潮汐影响水　位过程。但洪水时，受上游来水影响，潮汐波动作用将受到　不同程度削减，不妨以天河站滑动平均水位表征上游来水大　小，预报潮差与实际潮差的比值表征潮汐衰减程度，分析洪　水期间天河站水位预报过程中潮汐影响部分的权重关系。　将２００５－－２０１３年洪水期间天河站滑动平均水位（水位　均采用珠江基面，下同）与预报潮差和实际潮差的比值点绘　相关关系，见图５，可以看出当天河站滑动平均水位（３　ｍ以　上）随上游来水增大，潮汐影响呈现逐渐减小的趋势，上游来　水减少到一定程度时，天河站潮汐波动影响明显增大，但相　关关系明显减弱。用最小二乘法得到潮汐衰减经验式（７）。　０＝０．８１９７Ｚ　ｉ。　（７）　式中　一潮汐影响衰减系数，Ｚｌ　——天河站滑动平均水位。　图５　天河站滑动平均水位与潮汐影响衰减系数相关关系　４方案率定与验证　４．１参数率定　应用２００５－－２０１０年西江洪水过程率定改进的天河水文　站水位过程预报方案，需率定的参数有天河水位与马口水位　相关关系系数、西江下游与北江下游河网洪水演进糙率修正　系数。分别将天河站和马口站的洪水水位过程取２４　ｈ滑动　平均值，建立相关关系点据，见图６，天河站滑动平均水位和　马口站滑动平均水位呈现较好抛物线型相关关系。采用最　小二乘法拟合多项式得到相关式（８）。　Ｚ　ｈ＝０．０１６Ｚｌｍ２ｋ＋０．５２１４Ｚ　ｋ＋０．１２３６　（８）　式中ｚ　——天河站滑动平均水位，Ｚ　——马口站滑动平　均水位。　ｓ．ＯＯ　＊　ｌ牛　荽３∞　景ｚ－呷　２．００　４　０　ＤＤ　８．ｏ０　马口站滑动平均水位／ｍ　图６天河站与马口站滑动平均水位相关关系　在动量方程式（４）中，引进了动量校正系数　，该系数反　映河道断面流速分布均匀性的系数，当河道有漫滩地时，滩　地的流速远比主槽流速小得多，断面流速分布非常不均匀，　使得　增大，尤其是当水流刚上滩时尤为明显。假定滩地和　主槽中水流的摩阻比降相同，应用流量摩阻力计算公式可得　到动量校正系数关系式（９）。　＝　∑等　式中　流量模数，为　Ａ　亍；ｎ——糙率；Ａ——面积；　尺——水力半径。为便于计算，通过修改流量模数Ｋ　间接调整糙率ｎ，得到糙率修正系数。　６７　人民珠江２０１７年第７期　以２００５－－２０１０年的洪水水位过程作为率定参数的依　据，通过调整糙率修正系数，使马口站滑动平均水位最大值　相对误差和出现时间误差较小，满足水位过程模拟精度需　要，统计结果见表１。　表１　马口站洪水水位过程率定结果统计　４．２实例验证　２０１５年５　月，受冷暖空气共同影响，珠江流域出现　１２次较强降雨过程，北江干流、西江干流分别于５月下旬、６　月中旬发生编号洪水，其中西江干流梧州水文站出现自２０１０　年以来的首次超警洪水。以这两场编号洪水为实例，Ｅ、　＊　对西江　干流、北江干流发生洪水的情况下天河水文站水位预报方案　帖　０　¨　０　Ｓ　４　５　３　Ｓ　２　５　１　５　Ｏ　进行验证。　５月１８—２３日珠江流域出现大范围强降雨过程，降雨中　心在北江中游一带，北江支流连江发生超２０年一遇大洪水，　北江干流发生超５年一遇中等洪水，石角站５月２４日１８时　出现洪峰流量１３　１００　ｍ　／ｓ。６月ｌ０—１４日，珠江流域中部　出现持续降雨过程，降雨中心在西江中游一带，西江干流梧　州站６月１６日２３时出现１９．３０　ＩＴＩ的洪峰水位，超过警戒水　位０．８０　ｍ，相应洪峰流量３０　８００　ｍ　／ｓ。受上游洪水传播影　响，珠江三角洲天河水文站５月下旬和６月中旬分别出现洪　水过程。不考虑上边界梧州和飞来峡预报误差，逐日预报未　来２４　ｈ天河站水位过程。预报成果见表２、图７、８。　２０１５年５月天河站实测洪峰水位３．７０　ＩＴＩ，方案预报洪　峰水位仅偏低０．０１　ｎｌ，预报峰现时间比实际提前１　ｈ，６月天　河站实测洪峰水位３．０２　ＩＩｌ，方案预报洪峰水位偏高０．１１　ｍ，　预报峰现时间比实际提前１　ｈ，两场洪水洪峰水位和峰现时　间的误差均满足ＧＢ／Ｔ２２４８２－－２００８《水文情报预报规范》的　预报许可误差要求，说明无论天河站洪水以北江来水为主还　是以西江来水为主，本文改进的水位过程预报方案均适用。　表２　天河站２０１５年洪水水位预报成果统计　采用天河站滑动平均水位与潮汐影响衰减系数相关关　系，模拟随天河站上游来水增大而潮汐影响呈现逐渐减小的　趋势，在天河站高水位过程的拟合上也取得了较好效果，其　中５月份洪水考虑潮汐衰减预报的水位过程确定性系数为　６８　０．９７６，洪峰水位仅偏低０．０１　ｍ，不考虑潮汐衰减预报的水位　过程确定性系数为０．９６９，洪峰水位偏高０．２３　Ｉｌｌ。　≥｝　＿¨　¨≥　ｊ　０　ｉ　５一ｉ９　Ｓ一？０　５－２１　５—２２　５－２３　５　２４　５—２　５　５　２６　５—２７　５　２自　５—２９　５　３０　５－３１　日期／ｍ　ｄ　ｏ　实测点　一考虎潮｛步衰减　……不毒虑潮汐襄碱　图７　２０１５年５月洪水天河站计算水位过程与实测点比较　　Ｊ＾　１　Ｅ、堪＊　０　ｓ　一　６－ｌ０　６－１２　６－Ｉ４　６—１６　５－１８　６－２０　６－２２　６—２４　６　２６　日期／ｍ．ｄ　ｏ实测点　一　ｉ－测水１立　图８　２０１５年６月洪水天河站计算水位过程与实测点比较　５结论　本文采用河网洪水演进数值模拟方法，对天河水文站水　位预报方案上游来水影响预测进行改进，解决了原水位预报　方案仅使用于上游来水以西江洪水为主的问题。经２０１５年　５月以北江干流来水为主的洪水和２０１５年６月以西江干流　来水的洪水中验证比较，方案对两种类型的洪水预报精度均　符合规范要求。方案还增加了天河站潮汐影响随上游来水　增大而逐渐减小的趋势分析，提高了天河站高水位过程的预　报精度。　参考文献：　［１］刘俊勇．珠江三角洲河网思贤溜、天河节点分分流比规律探讨　［Ｊ］．人民珠江，２０１６，３７（５）：１５—２０．　［２］章雪萍．西江天河站洪水特性分析与洪峰预报方案研究［Ｊ］．　人民珠江，１９９５，５：１４—１７．　［３］卢康明，吴伟强．珠江三角洲天河水文站水位过程预报方案初　探［Ｊ］．人民珠江，２０１２，３３（１）：４１—４４．　［４］金忠青．Ｎ—ｓ方程的数值解和紊流模型［Ｍ］．南京：河海大学　出版社，１９８９，７２—１０１．　［５］李光炽，王船海．流域洪水演进模型通用算法研究［Ｊ］．河海大　学学报（自然科学版），２００５，３３（６）：６２４—６２８．　（责任编辑：张锦华）　０　＂