張兆強，熊 輝

（德州市水文中心,山東 德州 253033）

0 引言

流量是體現(xiàn)流域水資源量利用程度的基本水文要素之一,也是進行流域洪水預報的基礎(chǔ)性因子,所預報的水位通常根據(jù)水位流量關(guān)系進行反向推求。當前,山東德州H水文站主要采用儀器施測點建立繩套水位流量關(guān)系曲線或應用固定水平式ADCP進行水位流量關(guān)系實時在線監(jiān)測,但是在具體應用中,其實時在線測流成果存在較大誤差,流量值也經(jīng)常發(fā)生突變。而采用儀器施測點所構(gòu)建的繩套水位流量關(guān)系曲線因同水位對應多個流量值而極易造成應用誤差,還無法進行實時修正與換線,所產(chǎn)生的流量誤差較大。為此,本文以山東德州H水文站2015 年、2016年和2018年20 m以上高水走航式ADCP施測流量成果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),按照水位進行分級,并以德州H水文站現(xiàn)時水位,該水文站與其輔助水文站水位落差及該站前2 h水位漲落率均值等為參數(shù)進行了該水文站水位流量關(guān)系的構(gòu)建,以便根據(jù)實時水位監(jiān)測信息獲取流量成果。

1 水文站概況

山東衛(wèi)運河全長2041 km,河道坡降均值為0.56%,流域面積331520 km2,該流域最大的H水文站是衛(wèi)運河流域重要的控制站,其自1973年建站以來幾經(jīng)遷移,在此后運行的過程中,洪峰流量在500 m3/s以上的年份很少,大多數(shù)年份斷面均處于小流量情況,該測站屬于所在流域防汛專用站。該水文站水文監(jiān)測項目主要包括水位、流量、降水、蒸發(fā)、含沙量、水文、水質(zhì)等。當前該站主要采用水平固定式ADCP及走航式ADCP測驗設(shè)施,主要通過浮子式水位計進行水位監(jiān)測,實時在線測流成果普遍存在較大的不確定性及嚴重的瞬時突變。根據(jù)對該水文站2019年2月~3月水位流量過程的分析可以看出,洪水漲落對其水位流量關(guān)系影響較大,流量增減過程十分顯著；漲水時水位流量關(guān)系點子偏右,而落水時水位流量關(guān)系點子偏左,峰谷水位流量關(guān)系點子居中,按照時間次序?qū)⒏鼽c子連接后發(fā)現(xiàn),其主要表現(xiàn)為以峰谷為軸線的逆時針繩套曲線：單峰為單套,疊加峰為復式套［1］。以該水文站上游相距7.4 km的K水位監(jiān)測站為本文分析的輔助參證站。

2 水文站流量測驗成果分析

2.1 樣本資料

選擇德州H水文站2015年、2016年和2018 年20 m以上高水走航式ADCP施測流量成果,共包括225 份流量施測成果樣本。依據(jù)樣本資料構(gòu)建包括該水文站水位、水位差、水位漲落率等參數(shù)在內(nèi)的水位~流量關(guān)系曲線,具體如下：

式中：Z t為德州H水文站現(xiàn)時水位,m；ΔZ為德州H水文站與其輔助水文站水位落差,m；ΔZ漲為德州H水文站前2 h水位漲落率均值,%。

2.2 水位級差分析

根據(jù)德州H水文站大斷面示意圖（圖1）中存在的起點距突變點,將水位級劃分為以下幾個階段：Z≤6.0 m,6.0 m＜Z≤7.5.0 m,7.5 m＜Z≤9.5 m,9.5 m＜Z≤11.5 m,11.5 m＜Z≤14.0 m,14.0 m＜Z≤16.0 m,Z＞16.0 m。

圖1 德州H水文站大斷面示意圖

3 水位~流量關(guān)系構(gòu)建

3.1 樣本歸類

根據(jù)所進行的水位級劃分情況,可以將225 份流量施測成果樣本進行所屬水位級的歸類,其中Z≤6.0 m段包括25組樣本數(shù)據(jù),6.0 m＜Z≤7.5.0 m段包括21組樣本數(shù)據(jù),7.5 m＜Z≤9.5 m段包括50 組樣本數(shù)據(jù),9.5 m＜Z≤11.5 m組包括58份樣本數(shù)據(jù),11.5 m＜Z≤14.0 m組包括27份樣本數(shù)據(jù),14.0 m＜Z≤16.0 m組包括20份樣本數(shù)據(jù),Z＞16.0m段包括24 組樣本數(shù)據(jù)。為保證所構(gòu)建的水位流量關(guān)系的代表性,各級樣本數(shù)據(jù)均應在20 組及以上,并采用Excel表格LINEST函數(shù)［2］進行各級樣本數(shù)據(jù)分析。LINEST函數(shù)主要應用最小二乘法進行相關(guān)數(shù)據(jù)線性擬合,同時對線性方程式及所涉及參數(shù)系數(shù)進行描述,以得出各組樣本數(shù)據(jù)的水位~流量回歸方程。結(jié)果如下：

針對以上所構(gòu)建的不同水位級水位流量關(guān)系式,通過對225份實側(cè)流量樣本數(shù)據(jù)的驗算發(fā)現(xiàn),水位流量關(guān)系式所測算的流量與實測流量相比,兩者誤差不超出5%的樣本有198組,占比為88%；誤差在5%~7%之間的樣本有17組,占比為7.56%；其余組誤差均在7%以上,占比為4.44%。不存在系統(tǒng)誤差,并滿足適線檢驗要求,表明本文所構(gòu)建的德州H水文站水位~流量關(guān)系曲線精度較好。

3.2 水位~流量關(guān)系的校驗

2018年山東德州H水文站取得走航式ADCP測流數(shù)據(jù)95份,為方便進行水位~流量關(guān)系的校驗,先將測流數(shù)據(jù)按照實際水位由低向高排序,并結(jié)合本文所提出的水位等級劃分公式進行流量計算,計算結(jié)果具體見表1。

表1 2018年山東德州H水文站測流數(shù)據(jù)校驗

將表中計算流量成果校驗值和實測值進行比較可以得出,兩者誤差不超出5%的樣本有72組,占比75.79%；誤差在5%~7%之間的樣本共有14組,占比14.74%；剩余樣本誤差在7%以上,占比9.47%；最大點誤差9.94%,且無系統(tǒng)誤差,滿足適線檢驗相關(guān)要求,表明本文所構(gòu)建的德州H水文站水位~流量關(guān)系切實可行。

3.3 實時流量推算

進行2020年7月1日0時~7月31日23時德州H水文站如何應用本文所提出的方法進行實時流量推算過程的分析：先計算德州H水文站和輔助水文站水位的落差,再計算德州H水文站水位漲落率,因水位漲落率屬于敏感性較強的參數(shù),且通常通過浮子水位計進行采集,所獲取的水位數(shù)據(jù)可能因波浪等原因而出現(xiàn)偽漲落率情況,為消除波浪等因素對水位監(jiān)測結(jié)果的不利影響,應計算前2 h的漲落率均值,再根據(jù)相應等級水位~流量關(guān)系公式進行流量推求。為消除鋸齒態(tài)［3］因素,保證水位~流量關(guān)系線平順圓滑,還應在不同水位級公式轉(zhuǎn)換處采用兩公式取值的均值。2020年7月1日0時~7月31日23時德州H水文站實時流量推算結(jié)果見圖2。

圖2 德州H水文站原報汛流量和實時流量推算結(jié)果

從所構(gòu)建水位~流量關(guān)系應用于流量成果推算的實踐來看,推算結(jié)果比原報汛流量值更接近實測值,說明所構(gòu)建的水位~流量關(guān)系曲線精度較高,也說明直接根據(jù)監(jiān)測水位,通過水文學分析方法進行水位在線推流及實時報汛的做法切實可行,并能為儀器測流結(jié)果提供補充。應用本文所提出的水位~流量關(guān)系曲線時僅需進行一些選擇性校測,并略微修正參數(shù)系數(shù),便能減少儀器測流次數(shù),并能有效進行間測。

4 結(jié)論

綜上所述,常規(guī)的水位~流量關(guān)系曲線的構(gòu)建通常基于儀器施測散點,這種做法很難保證水位流量關(guān)系實時在線,通過結(jié)點進行流量推算報汛的做法受到結(jié)點信息無法及時更換的影響較大。流量實時在線報送也主要以固定式水平ADCP測流成果為主,在諸多因素的影響下,效果也并不理想。本文所提出的通過水位分級法并主要選取實測水位、上下游水文站同水位落差、水位漲落率等參數(shù)進行水文站水位流量關(guān)系的構(gòu)建方式在應用上還不夠成熟,但是從本文所進行的德州H水文站2018年實測對比及2020年7月1日0時~7月31日23時的推流校驗過程及結(jié)果來看,應用效果較好。本文所提出的水文站水位~流量關(guān)系曲線的構(gòu)建方法對于上下游水位監(jiān)測質(zhì)量較高,且中間無跌水、無急流,觀測水文站和輔助水文站距離較近的測站較為適用。