1、 135 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）河网水动力模型在松花江干流依兰-佳木斯段应用孙永贺，廖厚初，宋运凯（黑龙江省水文水资源中心，哈尔滨 150001）摘 要：针对松花江干流依兰-佳木斯江段洪水特点，建立以圣维南方程组为主的水动力模型，对依兰-佳木斯江段的洪水过程进行模拟，并对模型进行了率定和验证。结果表明模拟的洪水过程与实际值吻合较
2、好，说明模型用于依兰-佳木斯段的洪水过程模拟是可靠的，能够应用于松花江佳木斯段的洪水预报，可为防汛决策提供技术支撑。关键词：洪水预报；水动力模型；圣维南方程；松花江流域中图分类号：TV213.4文献标识码：B1 概 述松花江流域是我国重要的商品粮基地，流域面积为 55.68 万 km2，约占黑龙江流域面积的 1/3,北源为嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山，南源为第二松花江发源于长白山1。随着全球气候的变化及人类活动的影响，松花江流域径流量年际变化具有明显的阶段性特征，暴雨洪水频发，陆志华曾对松花江干流中游段径流分配进行了规律研究。为减少旱涝灾害频繁发生，减少流域湿地退化、水土流失等生态环境问题，亟
3、需符合该地区的水文模型对松花江流域进行径流量及洪水过程模拟研究，以此减少洪旱灾害对国家经济和人民生活影响，同时为流域水资源评价等提供科学依据2-3。依兰-佳木斯段为我省粮食生产基地，近些年来洪水频发，为保证我省粮食安全，文章采用河网水动力模型,选取依兰、晨明至佳木斯水文站区间为研究对象，对松花江干流佳木斯站径流量和洪水过程进行模拟研究。2 流域概况2.1 地理位置松花江是中国七大江河之一，也是黑龙江在中国境内最大的支流，流域位于N41 42 51 38 ，E119 52 132 31 ，依兰至佳木斯江段位于松花江中游，河流长度为109km，地处三江平原西部、区间有牡丹江、倭肯河、巴兰河、汤旺河
4、汇入，如图1所示。该段河道为高平原和丘陵山区，河道渐陡，河谷狭窄，河道比降约为0.15，此段河道地形复杂，多由细砂、砂砾和泥土组成，江中多由柳丛和杂草茂生的小岛。图 1 依兰至佳木斯段河流位置示意图收稿日期2022-12-21作者简介孙永贺（1973-），男，黑龙江萝北人，高级工程师，从事水文水资源工作；廖厚初（1981-），男，广西鹿寨人，高级工程师，从事水文情报预报工作；宋运凯（1983-），男，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，从事水文情报预报工作。文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.019 136 2023
5、年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）2.2 水文气象该区域处于中纬度欧亚大陆东部，属于温带大陆性季风气候。四季分明、季节变化明显、天气变化也显著、干渴悬殊、寒暑剧烈，春季低温少雨，夏季高温多雨，暴雨多发在 68 月。年平均气温 2.63.1；日照时数 25252050h，有效积温25902700。2.3 降水特征该河段多年平均降水量约 588mm，其中
6、汛期 69 月的降水量约 434mm，占全年降水量的73.8%。暴雨多出现在 7、8 月两月，月站汛期降水量的 62.4%，尤以 7 月下旬-8 月上旬为最多。暴雨历时一般为 3d，而主要雨量又集中在 1d（24h）内，1d 雨量约占 3d 雨量的 70%，造成暴雨的天气系统有台风、蒙古气旋、华北气旋、冷锋、冷涡等。该区域有两个地区汛期降雨比较大，属于暴雨高值区，暴雨频发：在该区域的南部山区，即为牡丹江流域内的山区，该地区地理位置偏南，夏季正处在西南暖湿气流控制下，水汽来源充沛，且又处于张广才岭西侧的迎风坡上，有较好的地形抬升条件，西来天气系统进入该地区后，常出现大范围的暴雨天气过程。另外该地
7、区又能收到北上台风的影响，台风北上带来了大量的水汽，使该地区出现短历时、高强度的暴雨过程；台风与西来系统同时在该地区出现时，往往造成极其恶劣的降水天气，发生大暴雨洪水或特大暴雨洪水；小兴安岭西南部山区是指汤旺河、巴兰河等北安支流的中上游地区；该地区地理位置偏北，台风极少影响到这里，汛期控制该地区的天气系统主要还是蒙古气旋、华北气旋、冷锋、冷涡等西来系统，该地区降水较大的原因主要是由于地形的抬升作用，造成大型天气系统内中小尺度的气旋扰动，使小股湿空气上升形成暴雨。2.4 洪水特征与降水年内分布相对应，该区域干支流洪水一般多出现在 69 月，以 7、8 月两月最为集中。依兰站 1950 年建站，开
8、始观测水位，1961 年开始施测流量，多年平均年最大流量为 6220m3/s,实测最大流量 16000m3/s（1998 年 8 月 26 日），列 1961 年以来第 1 位。有实测流量资料以来超过 10000m3/s 的年份有 1932、1998、2020、2013、1991、1964、2019、1994、1985 年共 8a。依兰站年最大流量一般多出现在 8 月份，由于受牡丹江来水的影响，依兰站洪水多成双峰型，前锋多为支流来水，后峰为干流来水。一次洪水过程一般要持续 60d，有时可能更长。从洪水组成来看，主要分3 类：洪水主要来自松花江干流，牡丹江来水很小，如 1932、1985、199
9、4、1998、2013、2019 年洪水；洪水主要来自支流牡丹江，干流来水很小，如 1964、1991 年洪水；洪水主要由松花江干流及支流牡丹江来水组成，如 2020 年洪水。佳木斯站 1949 年建站，开始观测水位，1954 年开始施测流量，多年平均年最大流量为 7860m3/s，实测最大流量 18400m3/s（1998 年 8 月 27 日），据 1932 年以来统计资料，该站年最大流量超过12000m3/s 的 年 份 有 1932、1951、1956、1957、1960、1964、1985、1998、1991、1994、2013、2019、2020 年共 13a。佳木斯站年最大流量一
10、般多出现在 8 月份，由于受牡丹江、汤旺河来水的影响，佳木斯站洪水多成双峰型，前锋多为支流来水，后峰为干流来水。一次洪水过程一般要持续 90d，有时甚至更长。从洪水组成来看，主要分 4 类：洪水主要来自松花江干流，牡丹江、汤旺河来水很小，如 1932、1957、1994、1998 年洪水；洪水主要来自支流牡丹江，干流来水很小，如 1964、1991年洪水；洪水主要由松花江干流及支流牡丹江、汤旺河来水组成，如 2013、2019、2020 年洪水；洪水主要由松花江干流及支流汤旺河来水组成，牡丹江来水很小，如 1961 年洪水。3 河网水动力学模型3.1 模型原理及基本方程模型采用 Saint-V
11、enant 方程组和 Preissmann 四点线性隐式差分格式构建：（1）（2）通过 Preissmann 四点线性隐式差分格式将式（1）、式（2）5离散化成下列差分方程：|=+=+jnjjnjjnjjnjjjnjjnjnjjnjHZFQGZFQEDZCQZCQ111111111111（3）137 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）式中：
12、x为流程，m；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；BT 为调蓄宽度，m；Q为流量，m3/s；Z为水位，m；qL为旁侧入流，m2/s，入流为正，出流为负；x为旁侧入流qL沿水流方向的速度分量，m/s；g为重力加速度，m/s2；为动量校正系数，可取1；K为流量模数，3/21RAKn=；R为水力半径，m；n为糙率；j为断面编号；n为时段编号。3.2 计算方法河网水动力学模型采用单一河道求解：对于一条河道断面编号顺序为 L1，L1+1，L2，能够列出 2(L2-L1+1)个线性方程，再加上河道两端的边界条件，形成封闭的线性方程组，可采用追赶法求解。1）上边界为水位条件：追赶方程为：111+=jjjj
13、QTSQ （4）1111+=jjjjQVPZ （5）水位边界条件为：0)(1111111=LLLLLLLVtZPQVPZ，（6）首先计算出 Sj、Tj、Pj、Vj，j=L1,L1+1,L2；其 次 由2222LLLLQVPZ=与 下 边 界 条 件 联 立 可求 得2LQ；再 由 式（1）依 次 回 代 可 求 出 Qj，j=L2,L2-1,L1；由 式（2）可 求 出 Zj,j=L1+1,L2。2）上边界为流量边界条件：追赶方程为：111+=jjjjZTSZ （7）1111+=jjjjZVPQ （8）流量边界条件为：0)(1111111=LLLLLLLVtQPZVPQ，（9）首先计算出 Sj
14、、Tj、Pj、Vj，j=L1,L1+1,L2；其次由2222LLLLZVPQ=与下边界条件联立可求得2LZ；再由式（7）依次回代可求出 Zj，j=L2,L2-1,L1；由式（8）可求出 Qj,j=L1+1,L2。3.3边界条件根据地理高程资料，通过 Arcgis 处理，确定汤旺河晨明水文站、松花江干流依兰至佳木斯水文站矢量位置。上边界选择依兰水文站，采用依兰水站的日流量过程；下边界选取佳木斯水文站，采用佳木斯水文站的日水位过程。汤旺河为支流汇入以“点源”计。3.4 断面布设选取松花江依兰水文站、宏克力水位站、敖其镇水位站、佳木斯水文站 4 个实测断面，并将断面的形状、位置、河床糙率、河道比降等
15、输入模型中，然后再通过模型设置 50 个间距为 2000m 的虚拟断面，以此提高模型的精度。3.5 模型率定河床糙率是河网水动力模型率定的主要对象。文章通过黑龙江省水文水资源中心收集的水文数据进行整理，同时对相应支流汤旺河的实测水文资料进行整理。采用佳木斯站 2017 年（7 月 1 日8 月31 日）水位过程资料进行率定，如图 2 所示。图 2 佳木斯站 2017 年（7 月 18 月 31 日）洪水率定4 模型验证在进行模型验证时，通过最优河床糙率，采用佳木斯水文站 2018 年（7 月 13 日8 月 20 日）洪水过程资料进行模型验证，经过优选比对，模拟得到的洪水过程线与实测资料对比图
16、，如图 3 所示。从图 3 可以看出，模拟得出的洪水过程线与实测值非常接近，峰型也基本一致。佳木斯水文站的最高水位比实测值高 0.24m，而且大多数模拟值都高于实测值，初步分析认为由于近些年发生的大洪水，对进行河道冲刷，导致相同流量的通过同一断（下转第 199 页）199 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）3 李云玲，郭旭宁，郭东阳，等水资源承载能力评价方法研究及应用 J.地理科学进展，2017，36(03)：342-3494 夏欢，陈菁，许杨，等基于改进 TOPSIS 模型的连云港市水资源承载力研究 J节水灌溉，2019，282(02)：86-90，955 刘晓君，付汉良基于变权信息熵改进 TOPSIS 法的水资源承载力评价：以陕西省地级城市为例 J水土保持通报，2015，35(06)：187-1916 王砚羽，张卓，王正新基于灰