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監(jiān)利水文站水位流量關(guān)系單值化方法初探

2019-09-10 07:22黃烈敏徐清濤胡家彬
水利水電快報(bào) 2019年11期

黃烈敏 徐清濤 胡家彬

摘要:受洞庭湖頂托、河段沖淤、洪水漲落等多因素綜合影響,監(jiān)利水文站水位流量關(guān)系通常呈復(fù)雜的繩套關(guān)系。各因素在年際、年內(nèi)各場(chǎng)次洪水中存在差異,且相互之間亦有影響,難以有效利用單值化進(jìn)行分析,使得水文測(cè)驗(yàn)、河道行洪能力分析、洪水調(diào)度與預(yù)報(bào)等工作的開展較為困難。采用監(jiān)利水文站2010~2017年的實(shí)測(cè)水位、流量資料,通過(guò)落差指數(shù)法校正,并結(jié)合水位-過(guò)水面積關(guān)系進(jìn)行分析,綜合確定以2016年的水位-校正流量關(guān)系及水位-過(guò)水面積關(guān)系作為參照基準(zhǔn),對(duì)各年份的河段沖淤影響進(jìn)行校正。結(jié)果表明,對(duì)于發(fā)生整體趨勢(shì)性沖淤而年內(nèi)隨機(jī)性沖淤不大的年份,其水位-校正流量單值化關(guān)系得到較好地改善,具有較高的定線精度。

關(guān)鍵詞:水位流量關(guān)系;單值化;河段沖淤;流量校正;監(jiān)利水文站

中圖法分類號(hào):P332文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.001

長(zhǎng)江中下游洪水峰高、量大、歷時(shí)長(zhǎng),且為洪水滯蓄宣泄和泥沙堆積的場(chǎng)所,一直以來(lái)是長(zhǎng)江流域洪災(zāi)多發(fā)區(qū)[1]。監(jiān)利水文站(以下簡(jiǎn)稱“監(jiān)利站”)地處長(zhǎng)江中下游的下荊江河段,為長(zhǎng)江中下游重要的防汛測(cè)報(bào)站,研究其控制斷面的水位流量關(guān)系,對(duì)下荊江河道行洪能力分析、三峽水庫(kù)洪水調(diào)度、洪水預(yù)報(bào)以及防洪規(guī)劃等具有非常重要的意義[2]。然而受諸多因素的影響,天然河流水位流量關(guān)系通常呈不穩(wěn)定的形態(tài),即水位與流量呈多值關(guān)系,這種關(guān)系不僅給測(cè)站汛期流量測(cè)驗(yàn)帶來(lái)較大的工作量,而且給洪水預(yù)報(bào)、水文計(jì)算帶來(lái)不便。因此對(duì)影響監(jiān)利站水位流量單值化關(guān)系的因素及其改正方法進(jìn)行探討與研究具有重要的意義。

1 監(jiān)利站概況

監(jiān)利站始建于1934年,新中國(guó)成立前該站僅用于觀測(cè)水位,名為監(jiān)利(城南)。1950年8月水位站改為水文站,更名為監(jiān)利(一)站,并于2010年1月遷至監(jiān)利鄢鋪汽渡碼頭上游約1 300 m處,期間因河段沖淤及洲灘變化斷面歷經(jīng)幾次遷移,現(xiàn)為監(jiān)利(二)站。該站測(cè)驗(yàn)斷面上、下游各有約500 m長(zhǎng)順直河段,河槽偏“V”型,左淺右深,中高水河槽寬約1 100~1 300 m,下游約5.5 km有烏龜洲。洞庭湖在下游約95 km處與長(zhǎng)江交匯,使該站水位流量關(guān)系受回水頂托影響明顯。河床由中細(xì)沙組成,沖淤劇烈,年內(nèi)、年際變化大。河段示意如圖1所示。

2 水位流量關(guān)系特征

監(jiān)利站水位流量關(guān)系受變動(dòng)回水、河道沖淤、洪水漲落等因素共同影響,實(shí)測(cè)水位流量連時(shí)序線呈極其復(fù)雜的繩套曲線關(guān)系,年內(nèi)和年際間同條件下,水位流量變幅巨大。采用監(jiān)利站2010~2017年8a的實(shí)測(cè)水位、流量資料對(duì)監(jiān)利站水位流量關(guān)系進(jìn)行分析。經(jīng)統(tǒng)計(jì),年內(nèi)同一水位的流量變幅通常為10%~30%,最大可超過(guò)30%。如2017年水位為32.5 m時(shí),流量變化范圍為9 200~22 500 m3/s,流量變幅達(dá)42%;20 000 m3/s流量時(shí)的水位變幅可達(dá)3~4 m。從多年的繩套曲線來(lái)看,流量與水位的變幅則更大,32.5 m水位時(shí),流量變化范圍為9 200~35 600 m3/s,流量為20 000 m3/s時(shí),水位變化范圍為28.5~34.0 m,變幅達(dá)5.5 m。監(jiān)利站多年水位-流量關(guān)系繩套曲線見(jiàn)圖2。

3 影響水位流量關(guān)系的主要因素

戴清等[3~4]研究結(jié)果表明,影響水位與流量關(guān)系的因素主要有:

(1)河道沖淤。河道沖淤會(huì)使同水位的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e發(fā)生變化,進(jìn)而使水位流量對(duì)應(yīng)關(guān)系變得復(fù)雜,該變化在沖淤嚴(yán)重的河流尤為劇烈。

(2)洪水漲落。洪水波在河道中傳播時(shí),由于附加比降的影響,漲水階段水面比降大于穩(wěn)定流時(shí)比降,落水階段水面比降小于穩(wěn)定流時(shí)比降。表現(xiàn)在同一水位時(shí),則是漲水時(shí)流量增大,落水時(shí)流量減小。

(3)變動(dòng)回水。受下游河流支流匯入、水庫(kù)或湖水頂托影響時(shí),水面比降會(huì)發(fā)生變化,從而引起水位流量關(guān)系的不穩(wěn)定。

(4)其他影響因素。如洪水峰型、連續(xù)洪峰、分洪潰口、水生植物生長(zhǎng)等。

從河道特征、洪水遭遇等方面分析可知,洞庭湖頂托、河段沖淤以及洪水漲落是影響監(jiān)利站水位流量關(guān)系的3個(gè)主要因素。因此,為獲得較準(zhǔn)確的水位流量單值化關(guān)系,采用落差指數(shù)法和河段沖淤影響校正方法進(jìn)行分析因素校正,以減少對(duì)該站水位流量關(guān)系單值化的影響。

4 落差指數(shù)法

處理穩(wěn)定河床水位流量關(guān)系單值化的方法有很多,適用于只受變動(dòng)回水影響的單值化方法有定落差法、等落差法、落差開方根法、落差指數(shù)法;適用于只受洪水漲落影響的單值化方法有特征河長(zhǎng)法、校正因數(shù)法、落差指數(shù)法[5]。其中,落差指數(shù)法是校正洪水漲落與變動(dòng)回水影響的有效單值化方法,自20世紀(jì)70年代提出以來(lái),幾十年的實(shí)踐表明,該方法具有較高的精度與廣泛的實(shí)用性[6]。

4.2 分析資料的選用

本文采用監(jiān)利站2010~2017年實(shí)測(cè)水位、流量資料,以及同時(shí)期調(diào)關(guān)與廣興洲站的實(shí)測(cè)水位資料。樣本資料含有豐水、平水、枯水年份,資料代表性較好。

4.3 落差系數(shù)和落差指數(shù)的優(yōu)選

(1)落差指數(shù)[α]初值選取0.5,計(jì)算[k1]以0.05為步長(zhǎng),從0~1不同落差系數(shù)組合下的校正流量[Qc],采用三次方多項(xiàng)式對(duì)水位-校正流量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合(方次太低,不易達(dá)到精度要求;方次越高,擬合程度越好,但易出現(xiàn)擬合線的異常波動(dòng),甚至反曲的現(xiàn)象;因此選用三次方較為適宜)。優(yōu)選擬合相關(guān)度最好的落差系數(shù)確定為最終落差系數(shù)組合。

(2)按0.01的步長(zhǎng),在[0,1]范圍內(nèi),進(jìn)一步調(diào)整落差指數(shù)[α]的取值。通過(guò)試錯(cuò)法優(yōu)選水位-校正流量數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)度最好的[α]值。

按上述過(guò)程,各年份優(yōu)選得到的落差系數(shù)、落差指數(shù)以及擬合精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示,各年份水位-校正流量關(guān)系見(jiàn)圖3。

4.4 落差指數(shù)法校正效果的分析

通過(guò)對(duì)表1中參數(shù)優(yōu)選與成果精度結(jié)果以及圖3中各年水位與校正流量關(guān)系的分析,結(jié)果如下。

(1)經(jīng)落差指數(shù)法校正后,監(jiān)利站各年實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系點(diǎn)由散亂明顯變得集中且成帶狀分布,三次方多項(xiàng)式曲線能較好地?cái)M合水位-校正流量關(guān)系,點(diǎn)距無(wú)明顯偏離,相關(guān)度R2達(dá)到0.97以上,符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均能滿足SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》[9](以下簡(jiǎn)稱“《規(guī)范》”)要求。

(2)從各年優(yōu)選得到的落差系數(shù)k1均為零可知,上游調(diào)關(guān)站的落差對(duì)監(jiān)利站進(jìn)行落差指數(shù)法單值化校正的影響極小。其原因可能是監(jiān)利站處于長(zhǎng)江中游,屬平原型河流,水面比降通常較小,洪水漲落速率遠(yuǎn)不及山區(qū)河流,因此上游站落差在綜合落差中并不能靈敏地反映上游洪水漲落對(duì)本站的影響;另一方面,落差系數(shù)k2為1,表明多數(shù)情況下,洞庭湖頂托的影響比洪水漲落的影響大,且為水位-流量關(guān)系單值化的主要影響因素。若選用該站水位漲落速率作為參數(shù),通過(guò)校正因素法改正上游洪水漲落的影響可能會(huì)使單值化效果更好。

(3)由于存在河段沖淤的影響,落差指數(shù)[α]各年優(yōu)選值不同,取值范圍為0.53~0.94,變化范圍較大;隨機(jī)不確定度與最大相對(duì)誤差,除2013年與2016年較低外,在其余年份兩者誤差均大于8%和13%,相對(duì)誤差大于10%的點(diǎn)據(jù)數(shù)仍較多。

(4)落差指數(shù)法在一定程度上能有效地對(duì)回水頂托與洪水漲落因素的影響進(jìn)行校正,但為了得到更理想的水位-流量單值化關(guān)系,需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小河段沖淤因素的影響。

5 河段沖淤影響的校正

5.1 水位-過(guò)水面積關(guān)系變化分析

不穩(wěn)定河床沖淤變化是影響水位-流量關(guān)系單值化的因素之一,水位與過(guò)水面積關(guān)系的變化可直觀反映河段沖淤的影響。監(jiān)利站2010~2017年流量測(cè)驗(yàn)水位與實(shí)測(cè)過(guò)水面積關(guān)系見(jiàn)圖4。

從圖4可看出,監(jiān)利站測(cè)流斷面各年水位-過(guò)水面積關(guān)系較水位-流量關(guān)系相關(guān)度更高;擬合曲線的偏移情況可反映測(cè)流斷面年際間沖淤變化情況,點(diǎn)據(jù)偏離擬合曲線的程度可反映年內(nèi)場(chǎng)次洪水?dāng)嗝鏇_淤變化的劇烈程度。

(1)2011年、2014年較前一年份斷面整體略有沖深,相同過(guò)水面積下,水位平均降低約0.2 m;2017年較上一年整體有較大沖深,相同過(guò)水面積下,水位平均下降約0.6 m。

(2)2012年較2011年的斷面中高水部位略有淤積,低水部位略有沖刷;而2013年中高水部位有小幅沖深,低水部位略有淤積;2015年較2014年中低水部位有小幅沖深,高水部位基本無(wú)變化;2015~2016年水位-面積關(guān)系總體無(wú)變化。

(3)2010~2017年,監(jiān)利測(cè)流斷面總體平均降低了約1.1 m。

(4)2010年和2012年,點(diǎn)據(jù)偏離擬合曲線幅度較大,即相關(guān)度R2相對(duì)較低。年內(nèi)場(chǎng)次洪水引起的斷面沖淤變化較劇烈,同過(guò)水面積下,水位變幅最大分別為1.6 m與1.9 m左右。其余年份水位-面積關(guān)系曲線擬合相關(guān)度較高,點(diǎn)據(jù)相對(duì)集中,2016年相關(guān)度R2最高,為0.997 5。

總體來(lái)看,監(jiān)利站測(cè)流斷面的水位-過(guò)水面積關(guān)系在年際間、年內(nèi)各場(chǎng)次洪水間常會(huì)發(fā)生改變,不同年份變化程度不同,處于不斷動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。

5.2 河段沖淤影響校正的參照基準(zhǔn)

綜合前文落差指數(shù)法校正以及水位-過(guò)水面積關(guān)系變化的分析可知,由于洞庭湖頂托、河段沖淤等因素在年際、年內(nèi)各場(chǎng)次洪水中影響存在差異,且因素之間亦有相互影響,使得水位流量關(guān)系通常缺乏可比性。河段沖淤的變化會(huì)使過(guò)水?dāng)嗝姘l(fā)生變化(即水位-過(guò)水面積關(guān)系變化),同時(shí)也會(huì)對(duì)河道比降帶來(lái)調(diào)整(即落差的改變)。洞庭湖頂托的強(qiáng)弱亦會(huì)造成水面比降的改變(即落差的改變)以及河段流速的變化(引起河段沖淤特性變化)。因此,在復(fù)雜條件下,為使水位流量關(guān)系具有可比性,須確定一個(gè)具有一定代表性和定線精度的水位-校正流量關(guān)系以及水位-過(guò)水面積關(guān)系作為參照基準(zhǔn)。

由于2016年的水位-過(guò)水面積關(guān)系相關(guān)度最高,且年內(nèi)測(cè)流最高水位為34.13 m,能較好地涵蓋監(jiān)利站近年水位變化范圍;同時(shí)在落差指數(shù)法校正結(jié)果中,2016年水位-校正流量關(guān)系最好,隨機(jī)不確定度為5.60%,最大相對(duì)誤差不超過(guò)10%,因此綜合確定以2016年的水位-校正流量關(guān)系及水位-過(guò)水面積關(guān)系為參照基準(zhǔn)。

5.3 河段沖淤影響校正步驟

對(duì)各年份的河段沖淤因素影響校正按以下步驟進(jìn)行。

(1)將各流量測(cè)次實(shí)測(cè)的過(guò)水面積A代入2016年率定的Z-A相關(guān)關(guān)系式中,可得到相應(yīng)的參照水位[Z']。

(2)將參照水位[Z']代入2016年率定的Z-Qc相關(guān)關(guān)系式中,可得到對(duì)應(yīng)的校正流量Qc。

(3)再由實(shí)測(cè)流量Q、參照水位[Z']以及校正流量Qc,通過(guò)2016年的落差指數(shù)公式反算,可得到相應(yīng)的參照落差[?Z']。

(4)最后利用實(shí)測(cè)水位Z、實(shí)測(cè)流量Q以及參照落差[?Z'],再次進(jìn)行落差指數(shù)法單值化處理,從而得到該年河段沖淤影響校正后的水位-校正流量關(guān)系。

5.4 校正效果分析

監(jiān)利站河段沖淤影響校正前后水位-校正流量關(guān)系精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。各年河段沖淤影響校正后水位-校正流量關(guān)系見(jiàn)圖5。

通過(guò)校正效果分析可知:

(1)經(jīng)河段沖淤校正后,除2010年與2012年外,其余各年監(jiān)利站水位-校正流量單值化關(guān)系有明顯改善,隨機(jī)不確定度均校正至6.4%以內(nèi),最大相對(duì)誤差降低至10%以內(nèi),已達(dá)到《規(guī)范》一類精度水文站采用單一曲線的隨機(jī)不確定度大于8%的要求[9]。

(2)落差指數(shù)[α]取值范圍更集中,水位-校正流量單值化關(guān)系有明顯改善的6 a中有5 a為0.60。

(3)如將三峽水庫(kù)清水下泄導(dǎo)致的河段斷面總體性沖淤作為趨勢(shì)性沖淤,而場(chǎng)次洪水及洞庭湖頂托影響產(chǎn)生的河段沖淤作為隨機(jī)性沖淤,則發(fā)現(xiàn):①有整體趨勢(shì)性沖淤而年內(nèi)隨機(jī)性沖淤不大的年份,如2011,2013,2014,2015年及2017年水位-校正流量關(guān)系得到較大改善;②隨機(jī)性沖淤較大的年份,如2010年與2012年,由于年內(nèi)各場(chǎng)次洪水引起的過(guò)水面積與比降變化差異較大,經(jīng)2016年參照基準(zhǔn)得到的參照水位與參照落差仍不能有效改善水位-校正流量關(guān)系。

6 結(jié) 論

本文從監(jiān)利站水位流量關(guān)系的影響因素出發(fā),通過(guò)落差指數(shù)法[10]對(duì)洞庭湖頂托及洪水漲落影響進(jìn)行校正,得到較好的水位-校正流量關(guān)系,并結(jié)合水位-過(guò)水面積的變化分析,綜合確定以2016年的水位-校正流量關(guān)系及水位-過(guò)水面積關(guān)系為參照基準(zhǔn),進(jìn)而對(duì)各年份的河段沖淤影響進(jìn)行校正。通過(guò)以上分析與處理,可以得到以下結(jié)論。

(1)落差指數(shù)法在一定程度上能有效地對(duì)監(jiān)利站回水頂托影響進(jìn)行校正,使散亂的水位流量關(guān)系點(diǎn)明顯變得集中。上游站落差在綜合落差中不能靈敏地反映上游洪水漲落對(duì)本站的影響;在大多數(shù)情況下,洞庭湖頂托是水位流量關(guān)系的主要影響因素。

(2)監(jiān)利站測(cè)流斷面的水位-過(guò)水面積關(guān)系在年際間、年內(nèi)各場(chǎng)次洪水間常發(fā)生改變,不同年份變化程度不同,2010~2017年斷面總體沖深,同過(guò)水面積下,水位平均下降約1.1 m;2010年和2012年,場(chǎng)次洪水引起的斷面沖淤變化較劇烈,同過(guò)水面積下,水位變幅最大可分別達(dá)到1.6 m與1.9 m左右。

(3)經(jīng)按2016年參照基準(zhǔn)進(jìn)行河段沖淤校正,發(fā)生整體趨勢(shì)性沖淤而年內(nèi)隨機(jī)性沖淤不大的年份,其水位-校正流量單值化關(guān)系得到較大改善,達(dá)到《規(guī)范》中一類精度水文站定線的要求。

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(編輯:李曉濛)

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