基于斷面法的長江分汊河道沖淤計算方法

白亮　王偉　原松　李圣偉

摘要：長江河道槽蓄量、沖淤量計算是長江水文泥沙監測和河道演變分析研究工作信息化的重要基礎。為了提高長江河道沖淤計算的準確性，在傳統斷面法計算的基礎上，針對分汊河道平面形態，引入分汊河道分流比參數，提出了一種基于斷面法的復雜河道沖淤計算方法。該方法通過組織管理長江河道水文斷面數據，計算并引入分汊河道分流比，分別計算起止斷面間的長江河道不同測次的河道槽蓄量、沖淤量?；跀嗝娣?，在長江水文泥沙管理信息系統GeoHydrology軟件中實現了含有分汊河道的沖淤計算，可支持Excel表格方式的水文斷面數據的處理和分析。結果表明：該方法對于具有分汊形態的長江河道沖淤計算是快捷和有效的，提高了長江復雜河道水文泥沙計算的準確性。

關鍵詞：槽蓄量; 沖淤量; 斷面法; 分汊河道; 長江

中圖法分類號： TV147

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.002

0引 言

長江河道沖淤分析是通過計算河道中水體在某計算水位下的槽蓄量、沖淤量，進一步計算及繪制河道槽蓄量高程曲線圖、槽蓄量沿程分布圖、沖淤量高程曲線圖、沖淤量沿程分布圖等，是水文專業進行河道演變分析、流域開發、防洪調度及河道治理的重要工作[1]，是實現長江流域水文泥沙信息化管理的重要內容[2-3]。河道槽蓄量是指在某個測次和計算水位的河道水體體積，沖淤量則是兩個測次的槽蓄量的差。因此，槽蓄量的計算是沖淤量、河道槽蓄量高程曲線圖等沖淤分析及圖件編繪的基礎。

目前，河道槽蓄量的計算主要有斷面法和地形法兩種方法。斷面法是計算河道槽蓄量的常用方法，它基于河道水文固定斷面地形觀測數據，利用數學上的梯形或截錐體積計算公式直接計算起止斷面間的河道槽蓄量。地形法利用河道地形DEM 進行分析，通過計算DEM 每個三角形區域上的槽蓄量，然后求和，得到整個選定區域河道的槽蓄量。地形法充分利用精度較高的地形數據，易于實現沖淤結果的可視化，但數據的預處理比較復雜，操作步驟和過程比較麻煩，嚴重依賴于全流域的河道地形DEM數據。斷面法計算槽蓄量和沖淤量的優點在于僅需測量河道各固定斷面，測量成果不需要大量人工處理，數據處理工作量少，算法簡單實用[1]。針對長江流域已建成完備的水文測站網和具備充分的固定斷面數據的現狀，本文著重探討了基于斷面法的全流域范圍內的槽蓄量和沖淤量等的水文計算方法。

傳統的斷面法依賴于河道各固定斷面，不支持具有洲灘、心灘等分汊形態的河道沖淤計算。長江河道全長6 300 km，跨近10個高斯3°分帶，河道地形復雜，干流分汊是常見的河道形態。目前，對于河道分汊研究較多是分析其形態、沖淤機制、整治對策等，沖淤計算一般是針對特定的河段，對于長江流域長程范圍內的河道沖淤計算方法研究較少。魏林云等從多個角度探討了長江下荊江監利河段烏龜洲汊道變化的原因[4]，余夢清等分析了長江下游分汊河段支汊演變特點及整治對策[5]，金中武等總結了三峽水庫淤積排沙及河型轉化規律[6]，吳昌洪等基于平面二維數值模擬研究分析了長江世業洲分汊河道水流特性[7]，陳望春等采用斷面法和地形法計算并對比分析了漢江下游沙洋至漢口河段槽蓄量[8]。本文在以往研究的基礎上，針對含有分汊河道的長江河流形態及長程范圍，通過統一組織河道及其分汊斷面數據，引入計算分汊河道分流比參數，改進傳統的斷面法，從而計算長江干流或支流上任意起止斷面間的河道槽蓄量和沖淤量，提高長江復雜河道水文計算的普適性和精度，為長江全流域復雜河流的水文泥沙計算和分析提供了有效途徑。

1斷面法槽蓄量和沖淤量計算

斷面法沖淤計算的基本原理：通過人工將觀測河道劃分為若干橫斷面（見圖1）[1]，這些斷面的位置確定后一般是不變的，稱為固定斷面。斷面法就是基于這些固定斷面，通過將不同測次測量的斷面地形進行套繪，使用梯形公式或截錐公式計算相鄰斷面間的槽蓄量，再累加計算出整個河道的槽蓄量，進而計算2個測次間的河道沖淤量。

1.1斷面面積計算

固定斷面的測量數據包括實測的斷面起點距、河底高程擬合地形線（即斷面剖面線），然后用給定的水位高程線與河底地形線求交，計算在水位線以下的斷面面積。斷面如果跨過心灘，則分段處理。固定斷面面積計算示意圖如圖2所示。

2長江河道固定斷面數據的組織

洲灘在長江河段中較為常見，并由此形成河流分汊，如圖4所示。以三峽庫區干流江津-大渡口間的大中壩汊道為例，上斷面為S354，下斷面為S351，在2個分汊河段上現有固定斷面（主分汊上的S353、S352斷面及副分汊上的S353+1、S352+1斷面）。

目前，分汊河道槽蓄量計算一般采用3種方法：① 基于斷面法，計算機直接使用分汊河段的上斷面（S354斷面）和下斷面（S351斷面）計算該段的槽蓄量和沖淤量，計算區域與實際河道區域（陰影部分）對比如圖5所示，過水面積未考慮洲灘面積的影響，且沒有充分利用分汊河段的固定斷面數據。② 計算機使用汊道的上下斷面與主分汊上的S353、S352斷面計算該段的槽蓄量、沖淤量。由于副分汊未參與計算，導致最終槽蓄量計算結果偏小。③ 人工識別并分段計算汊道槽蓄量、沖淤量，操作繁瑣，工作量較大。

針對傳統斷面法不能很好處理分汊河段的沖淤計算問題，本文根據多個分汊的各自分流比及其所屬的分汊斷面數據，綜合計算復雜河段的槽蓄量和沖淤量，在一定程度上提高了長江河段水文分析計算的準確度。計算原理是：對于無洲灘的較為簡單河段，采用常規斷面法計算槽蓄量和沖淤量;對于洲灘區域河段，根據河段洲灘上游的上斷面、下游的下斷面以及分汊河段上的中間斷面，引入分汊分流比參數計算上下斷面在各分汊上的過水面積，再根據上下斷面間的槽蓄量是各分汊槽蓄量之和，通過分別計算上下斷面間各分汊河段內的槽蓄量和沖淤量，最后累加計算出該河段槽蓄量和沖淤量。

固定斷面數據除了包括斷面編碼、斷面名稱、所在河流、至參考點距離、計算水位以及不同測次下的斷面數據等基本信息[11]以外，本文用數字序號標識不同的分汊，對于分汊河段上的斷面，增加了相對支汊端至參考點距離、汊道分流比以及汊道標識等信息。改進后的固定斷面的實體關系如圖6所示。

3分汊河段槽蓄量和沖淤量計算

3.1斷面分級分汊規則

表1為河道斷面信息表，對所有斷面進行編碼，包括“斷面碼”（斷面的唯一標識）“斷面名稱”“河流名稱”“至參考點距離”“汊道標識”“相對支汊端至參考點距離”“斷面位置”“計算水位”（允許有多個計算水位）等信息，并將斷面按所在河流從上游到下游的順序排序。

（1） “汊道標識”字段用來標記河段各汊道，一般為空，表示河流上一般的固定斷面，即河流沒有分汊;該字段如有數字，則表示是河流分汊上的斷面，使用1，2，3等數字標記不同汊道，汊道1為主分汊，其他序號表示副分汊，在同一分汊上的所有斷面的“汊道標識”應相同。

（2） 如果是河流分汊上的斷面，則“分流比”字段記錄了所在分汊占流經所有汊道的總水量的比值，如主分汊的分流比為0.7，副分汊的分流比為0.3，一個分汊上只需保留一個分流比即可。

（3） “至參考點距離”是各斷面至計算參考點的河道長度。由于多級分汊河段的長度具有較大差異，本文對于主分汊仍按一般固定斷面處理，而不同副分汊上的斷面則使用“相對支汊端至參考點距離”以記錄副分汊河段各個斷面的里程。河段上斷面（如斷面S354）是分汊的開始斷面，河段下斷面（如斷面S351）是各分汊匯聚后的斷面。因此，下斷面不僅有在干流上的“至參考點距離”，也有在分汊上的“相對支汊端至參考點距離”，以便與分汊斷面進行對比參照和計算。

3.2分汊河段分流規則

對于分汊段上的沖淤計算，源數據包括該支汊的所有斷面，以及分汊河段在洲灘上游的首端斷面和在洲灘下游的末端斷面。為了能夠計算出各支汊上的槽蓄量、沖淤量，需要引入河流水沙在各支汊的分流比參數。

3.4斷面法沖淤計算模塊的實現

采用上述計算方法，在長江水文泥沙管理信息系統GeoHydrology軟件[13]中實現了含有分汊河道的長江河段沖淤計算，能輸出相鄰斷面間及河道全程的槽蓄量和沖淤量。該系統支持水文泥沙數據庫，也支持Excel表格方式提供水文斷面數據的處理和分析。計算出的河道槽蓄量和沖淤量還可進一步用于長江河道的數值模擬和泥沙沖淤可視化展示[14-15]。

為了便于長江水文部門的快捷計算，GeoHydrology提供了Excel表格數據作為沖淤計算的源數據。將所用的固定斷面以及測次水位數據存放在Excel數據文件里，可由4個表組成：“斷面信息表”“第一測次”“第二測次”“庫容成果”。其中：“斷面信息表”如表1所列，描述了固定斷面的信息（斷面名稱、所在河流、至參考點距離、分汊標識、分汊端距離以及不同的計算水位等）?！暗谝粶y次”和“第二測次”表里記錄的是2個測次下的斷面線信息，包括斷面名稱、測次時間、編號、斷面線端點坐標、斷面線測量點相對坐標列、備注等，如圖7所示?！皫烊莩晒北韺⒋娣艔碗s河段沖淤計算的結果，包括兩個測次在不同計算水位下相鄰斷面間的槽蓄量、沖淤量及整個河道的槽蓄量和沖淤量等數據。

如圖8所示，GeoHydrology系統提供復雜河段沖淤計算對話框，選擇要計算的河流以及該河流上斷面和下斷面，即可計算該河流在此河段內不同計算水位及兩個測次下的槽蓄量和沖淤量。

計算結果自動保存在Excel數據文件“庫容成果”表中，如圖9所示。針對三峽庫區干流江津-大渡口間的大中壩汊道河段（從固定斷面S354到S349），計算出了相鄰固定斷面不同計算水位下（圖9中4個計算水位分別為176，179，182 m和185 m）的槽蓄量、沖淤量，以及該段槽蓄量和沖淤量統計數據，可為水文專家進行河流水文泥沙分析和決策預測提供可靠的水沙計算成果數據。

3.5與地形法槽蓄量計算的對比分析

從長江水文泥沙數據庫中提取三峽庫區干流江津-大渡口間的大中壩汊道河段（從固定斷面S354到S349）與圖9中相近時間段下的高精度實測地形數據，如圖10所示。

采用地形法[1]（圖10中的紅色計算區域，DEM格網精度為10 m，且要剔除粉紅色范圍內的洲灘區域）計算該分汊河段在不同計算水位下的槽蓄量，并與本文方法進行對比（見表2）。

從表2與精度較高的地形法槽蓄量計算結果對比分析可見，本文針對分汊河段提出的斷面法槽蓄量計算結果差異較小，證明了該方法的有效性。

4結 語

基于長江河道斷面數據，通過對分汊河道的數據組織和管理，計算并引入分汊河道分流比參數，采用改進的斷面法分別計算起止斷面間的長江河道不同測次的河道槽蓄量，并計算出兩個測次間的沖淤量。該方法算法簡便，易于實現，精度較高，能夠支持長江河道全程固定斷面間包含多個分汊的河道槽蓄量、沖淤量等水文專業計算，提高了長江復雜河道水文泥沙計算的準確性，為開展長江全程水文泥沙監測和河道演變分析研究工作提供了技術支撐和信息化分析計算工具。

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（編輯：李 慧）

Abstract：The calculation of channel storage and erosion-deposition amount of the Changjiang River is an important basis for the informatization of hydrological and sediment monitoring and river evolution analysis.In order to improve the accuracy of the calculation of channel erosion-deposition amount in the Changjiang River，based on the traditional cross-section method and according to the plane shape of braided channel，a calculation method of complex channel erosion-deposition amount is proposed by introducing the parameters of the braided channel diversion ratio.By organizing and managing the hydrological section data of the Changjiang River，we calculates and introduces the diversion ratio of the braided channel by this method，calculates the channel storage and erosion-deposition amount between the start and end sections of different measurement times.Using this method，the calculation of erosion-deposition amount of the braided channel is realized in the software GeoHydrology of Information Analysis and Management System on Hydrology and Sediment of the Changjiang River，which can support the processing and analysis of hydrological section data in Excel form.The results show that this method is effective and fast for the calculation of erosion-deposition amount of the Changjiang River channel with branching shape，and can improve the accuracy of hydrological and sediment calculation for the complicated channel of the Changjiang River.

Key words：river channel storage amount;erosion-deposition amount;section method;braided channel;Changjiang River