宋 雄，馬 黎，趙 喬，李大成，李 悅

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

河道流量記錄提供了河川徑流時間和空間上的分布情況，可為水資源管理、工程設(shè)計與運行及抗災(zāi)減災(zāi)等提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。河道流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測需要設(shè)置水文站點，如今大江大河上的水文站網(wǎng)已完善，但中小河流及特定工程的專用水文監(jiān)測站點建設(shè)需求仍然存在。特別是，水情自動測報系統(tǒng)遙測站網(wǎng)的建設(shè)一直在完善當(dāng)中。

水文站點是否能準(zhǔn)確記錄所在斷面的流量數(shù)據(jù)意義重大。對于水資源管理，它積累基礎(chǔ)的河川徑流數(shù)據(jù)，為水資源管理提供依據(jù)；對于工程設(shè)計，它提供基礎(chǔ)的水文資料，直接關(guān)系到工程設(shè)計規(guī)模；對于工程施工，它可以提供一手的水文資料，對防洪度汛不可或缺。而水文站站址的選擇直接關(guān)系到河道流量數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度，這主要是因為水文站點能夠獲取到的河道徑流最直觀的信息是水位，水文站主要通過流量數(shù)據(jù)巡測，擬定站址水位流量關(guān)系，并通過水位間接推求河道的流量數(shù)據(jù)。

以往水文監(jiān)測站點選址和優(yōu)化研究主要考慮站點的空間布局合理性、監(jiān)測要素代表性、建設(shè)經(jīng)濟性和水利工程適應(yīng)性[1-7]，研究的重心側(cè)重于區(qū)域站網(wǎng)布設(shè)的優(yōu)化；但對于具體站點站址斷面選擇的方法研究論述較少。世界氣象組織(WMO)在河道流量監(jiān)測手冊[8]中給出了水文站站址斷面選擇的12條原則，不少研究[9-14]也是基于此類原則探討了水文站具體選址中應(yīng)當(dāng)注意的問題。如，梁鑫與鄧懿[9]進一步提出“水文站斷面選址時應(yīng)盡量選擇附近有橋梁的地方便于無纜道情況下的河道測流”，但上述文獻所述內(nèi)容均為定性指導(dǎo)原則，實際站點選擇當(dāng)中不宜把握尺度，很難對所選站址斷面的優(yōu)劣做出直觀判斷。

本文針對傳統(tǒng)水文站站址選擇方法的缺陷，首次提出了結(jié)合二維水動力學(xué)模型進行水文站站址選擇的方法，具有指導(dǎo)水文站站址選擇的實際意義，可以更為直觀地判斷所選站址斷面的優(yōu)劣，避免水文站站址的反復(fù)遷移。

1 研究區(qū)域

本文選取坦桑尼亞Rufiji河Stigler峽谷河段作為水文站站址選擇的研究河段。目前，坦桑尼亞政府正在該河段興建朱利葉斯·尼雷爾水電站，研究河段水文測站的建設(shè)可以為設(shè)計施工提供一手河流水文觀測資料。水文站站址需盡量靠近發(fā)電廠房尾水，同時需要避開施工影響區(qū)域；根據(jù)河道自然形態(tài)，河道在經(jīng)過下游永久橋后向東南方向轉(zhuǎn)彎。因此，水文站站址斷面擬在廠房至永久橋下下游河段之間選取。

Rufiji河是坦桑尼亞境內(nèi)最大的河流，Stigler峽谷位于Rufiji河下游，峽谷河段以上流域集水面積158 200 km2，多年平均流量896 m3/s，實測最大流量為13 212 m3/s。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 二維水動力學(xué)模型

水動力學(xué)模型的基本原理：基于描述水流運動的基本方程，利用有限差分、有限元等方法對方程進行離散化處理，最后借助計算機技術(shù)進行求解。目前，水動力學(xué)模型軟件已經(jīng)相當(dāng)成熟。如，丹麥水力研究所(DHI)的MIKE系列、荷蘭的三角洲研究院(Deltares)的Delft3D、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的MD_SWMS、美國陸軍工程師兵團水力工程中心(HEC)的HEC-RAS軟件。這些軟件已在全球范圍得到廣泛的應(yīng)用。

Alvarez等[15]利用MD_SWMS軟件對Trinity河的研究河段進行了水動力學(xué)模擬，水深及流速模擬成果為河流生態(tài)修復(fù)計劃提供了重要依據(jù)；王春宇[16]基于二維水動力學(xué)模型模擬了遼寧不同類型河段的水流流態(tài)分布，模擬成果表明二維水動力學(xué)模型可較好地模擬不同河流流態(tài)分布；徐云乾等[17]基于HEC-RAS進行了二維潰壩洪水模擬，并繪制出洪水風(fēng)險圖、最大水流流速圖；王麗杰[18]基于二維水動力學(xué)模型，分析了不同數(shù)量橋梁方案下河道水位、流速與局部流場的變化對河道的影響。

上述研究表明，二維水動力模型可較好模擬研究河段水流的流態(tài)，并能繪制出河段的水深分布圖、流速分布圖等，可為水文站站址斷面選擇提供直觀的依據(jù)。水文站站址斷面選擇時，可依據(jù)二維水動力學(xué)模型成果避開回水影響區(qū)、水流流態(tài)紊亂區(qū)，選擇出較為合理的站址橫斷面。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

二維水動力模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括地形數(shù)據(jù)、入流量過程等。

(1)地形數(shù)據(jù)。采用研究河段1∶500實測點云數(shù)據(jù)，后處理成DEM文件，供二維水動力學(xué)模型軟件使用。

(2)入流量過程。采用研究河段10年一遇設(shè)計洪水過程作為模型入流過程，入流過程見圖2，本次采用設(shè)計入流過程漲水段與退水段形狀一致，旨在研究河段的槽蓄作用對洪水過程的影響。

3 建模過程

3.1 計算網(wǎng)格劃分

研究河段主河道平均寬度在200 m左右，二維水動力學(xué)劃分計算網(wǎng)格時，一方面要考慮計算網(wǎng)格要能反應(yīng)地形變化，特別是水力坡度發(fā)生較大變化的區(qū)域需要加密網(wǎng)格；另一方面，也要考慮模型的計算效率，網(wǎng)格過密會導(dǎo)致計算速度極慢。事實上，二維水動力學(xué)模型在進行水流計算時，每個網(wǎng)絡(luò)會充分考慮其下的地形，1個計算網(wǎng)格相當(dāng)于1個小的槽蓄水庫。經(jīng)綜合分析，本文計算網(wǎng)格取10 m，并在河道中心線及關(guān)注的水文站站址比選斷面處設(shè)置斷裂線，加密計算網(wǎng)格，使計算網(wǎng)格盡量與水流方向一致，劃分好的計算網(wǎng)格如圖3。圖3中所求1號～7號斷面為根據(jù)河段地形形態(tài)擬進行比選的水文站站址位置。其中，1號斷面處建有過河永久橋梁，橋梁斷面形態(tài)如圖4所示。由圖4可見，有橋墩侵占主河道。

3.2 設(shè)定邊界條件

二維水動力學(xué)模型的邊界條件通常為上下游開邊界以及二維模擬區(qū)域糙率，上游開邊界條件直接采用入流過程，下游邊界條件采用正常水深，二維模擬區(qū)域采用綜合糙率，取0.06。一些二維模型軟件還可考慮下墊面情況，制作糙率下墊面文件導(dǎo)入模型。

3.3 設(shè)定計算時間步長

二維水動力學(xué)模型進行模擬計算時，需要設(shè)定模型的計算步長。計算步長的選定，一方面要考慮計算效率；一方面又要考慮模型正常計算的最短步長，可參考Courant數(shù)的計算原理進行選取。經(jīng)綜合分析，本文取10 s作為模型的計算時間步長。

4 水文站站址確定

4.1 初步軸線確定

根據(jù)工程設(shè)計、施工需要，結(jié)合研究河段形狀，共選取1號～7號斷面作為本文研究比選的水文站站址初步軸線，見圖3。

4.2 二維模型計算結(jié)果

(1)流量過程。本次研究河段長約2 km，各比選斷面流量過程見圖5。由圖5可知，研究河段上下游流量過程差異并不明顯。單獨對比最下游1號斷面與最上游7號斷面的流量過程可知，河段雖有一定槽蓄作用，但并不顯著。這說明研究河段的水力控制特性較好，洪水過程在此區(qū)間并未發(fā)生較大坦化(見圖6)。因此，從洪峰流量來說，此區(qū)間各處位置設(shè)站監(jiān)測的流量差異不會很大，均能較好地反映廠房尾水處的流量。

(2)水位流量關(guān)系。水文站站址選擇時，應(yīng)盡量避開回水影響區(qū)，以使所選斷面水位流量關(guān)系盡量接近單一線，避免出線顯著的繩套效應(yīng)，以便通過水位直接換算成流量。由于河道形狀影響，天然河段亦會出現(xiàn)回水影響效應(yīng)，點繪研究河段各比選斷面的水位流量關(guān)系(見圖7)。由圖7可知，各斷面水位流量關(guān)系繩套效應(yīng)均不明顯，最上游靠近廠房的7號斷面在低水時水位流量關(guān)系較為發(fā)散；采用7號斷面作為水文站站址斷面可能影響低水流量的分析精度，其余斷面繩套效應(yīng)均不顯著，滿足設(shè)站要求；橋梁下游斷面水位流量關(guān)系最為平滑，受橋墩壅水影響最小。

4.3 站址確定

從二維水力學(xué)模型各斷面流量過程及水位流量關(guān)系來看，7號斷面不宜作為站址斷面，其余斷面水位流量關(guān)系均未出現(xiàn)顯著繩套效應(yīng)。特別是1號橋梁下游面斷面水位流量關(guān)系最為平滑，目前看其最適宜選作站址斷面，但仍需做進一步分析。

(1)水深分布。研究區(qū)域的水深分布見圖 8。由圖8可知，1號橋梁上游河段主河槽均較深，可滿足諸如壓力式水位計的測量要求。

(2)流速分布。水文站站址斷面所處河段在大水時流速不宜過急，流速過急會導(dǎo)致高水測流困難，分析研究河段流速分布(見圖9)可知，1號橋梁所在斷面在高水時受橋墩阻水影響，流速最大，局部流速高達15 m/s(流量約9 400 m3/s)，6號斷面受河道坡降影響流速次之，其余斷面流速較緩，4號斷面由于河段“魚肚效益”形成局部水塘，流速最緩，從流速分布來說，橋址斷面及6號斷面不宜作為水文站站址斷面。

(3)水流方向。水文站站址選擇時，還應(yīng)考慮所在斷面的水流方向，所選斷面處的水流方向應(yīng)盡量平行分布，水流方向過于散亂也不利于流量施測。由圖10可知，2號、5號斷面處流速較為散亂，受限于河道形狀，流線并不平順，相較之下，3號斷面處水流流線最為平順，最適宜作為站址斷面。

(4)水流剪應(yīng)力。水流剪應(yīng)力大的河段，河道容易發(fā)生沖淤，水文站站址選擇的時候應(yīng)該盡量避開，從研究河段水流剪應(yīng)力分布圖(見圖11)來看，1號橋梁斷面下游河段水流剪應(yīng)力最大，6號、7號斷面次之，其余斷面處水流剪應(yīng)力接近。

綜上所述，無論是從水深、流速分布、水流方向還是水流剪應(yīng)力來說，3號斷面均為最佳的水文站站址斷面。

5 結(jié)論與討論

本文分析了傳統(tǒng)水文站站址斷面的選擇方法，率先提出了結(jié)合二維水動力學(xué)模型進行水文站站址選擇的方法，并以坦桑尼亞Stigler峽谷河段水文站選址為例進行了二維水動力學(xué)模擬，通過綜合分析研究河段的水深、流速、流向及剪應(yīng)力分布場，最終推薦了水文站站址斷面。該方法在實際操作中更為直觀，指導(dǎo)性更強，可為水文站選址提供更好依據(jù)。特別是對于支流測站站址選擇更具參考意義。水文站站址選擇時，一方面支流測站應(yīng)該盡量靠近匯合口，以觀測全支流來流量；另一方面又要盡量遠離匯口的水力頂拖影響區(qū)域。二維水動力學(xué)模型模擬成果可為此類河段站址選擇提供很好的選址依據(jù)。