梁秀日方，邱天堯

（松遼水利委員會(huì)水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江 佳木斯 154000）

0 引言

洪水頂托是指洪水運(yùn)動(dòng)波在河道傳播過(guò)程中，遇到某種阻礙后向上游反射的一種水文現(xiàn)象[1]。一般表現(xiàn)為流速減小，水位頂托壅高，泥沙淤堵、水流倒灌等。

水位～流量關(guān)系是根據(jù)河道某一斷面多次實(shí)測(cè)流量與同時(shí)水位資料進(jìn)行水文資料整編得到的兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常用以水位為縱坐標(biāo)、流量為橫坐標(biāo)的“水位～流量關(guān)系曲線”來(lái)表示。

水位～流量關(guān)系是水文計(jì)算、洪水預(yù)報(bào)的重要依據(jù)，在水文預(yù)報(bào)、水文計(jì)算、水利管理工作中常用來(lái)進(jìn)行水位、流量間的換算。有了可靠的水位～流量關(guān)系，不僅可以在減少流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)的情況下，滿足水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的精度，有效控制水位～流量過(guò)程，還可以通過(guò)水位流量關(guān)系推算、預(yù)報(bào)出需要的水位、流量數(shù)據(jù)，供水文計(jì)算、洪水預(yù)報(bào)、防汛調(diào)度分析使用，因此，水位流量關(guān)系具有重要的實(shí)用意義。

無(wú)支流匯入的單一河道，一般水位～流量關(guān)系較為穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)系列水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整編，可以得出單一的線性水位～流量關(guān)系曲線，作為水文資料統(tǒng)計(jì)、洪水預(yù)報(bào)、防洪減災(zāi)決策的重要數(shù)據(jù)支撐。但通常情況下，干流會(huì)有多條支流匯入，匯合點(diǎn)附近受干、支流回水互相頂托影響，水位～流量關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，給水情預(yù)報(bào)工作帶來(lái)很大的困擾，通過(guò)對(duì)干、支流回水頂托影響規(guī)律分析，建立頂托影響下的水位～流量關(guān)系，是洪水預(yù)報(bào)工作需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

1 區(qū)域概況

以我國(guó)東北地區(qū)某干、支流匯合區(qū)域（簡(jiǎn)稱H～W 區(qū)域）為研究對(duì)象，該區(qū)域?yàn)楦闪鱄 江與支流W江的匯合區(qū)域。H江與W江分別設(shè)有水文站（A，B），所設(shè)水文站與匯合口均有一定距離，匯合口處無(wú)水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)。由于H江與W江的水量、地勢(shì)及來(lái)水條件不同，致使支流W江匯入時(shí)經(jīng)常受到干流H 江高水位阻擋，流速減小，改變?cè)瓉?lái)的水體運(yùn)動(dòng)及河床演變規(guī)律，引起水位壅高，形成頂托，致使泥沙沉積加大，甚至河水倒灌等水沙災(zāi)害，造成W江沿岸農(nóng)作物欠收或絕產(chǎn)、道路受損交通中斷、房屋建筑物損毀及其他財(cái)產(chǎn)損失等。因此，總結(jié)分析H 江對(duì)W 江洪水頂托規(guī)律，在今后的洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、防汛搶險(xiǎn)等工作中意義重大。

總結(jié)分析H 江對(duì)W 江的洪水頂托規(guī)律，通常需要兩個(gè)水文站及匯合口處控制斷面的系列水文測(cè)驗(yàn)資料來(lái)進(jìn)行對(duì)比、演算、分析，從中查找規(guī)律。由于匯合口處沒(méi)有水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，不具備開展流量測(cè)驗(yàn)的客觀條件，無(wú)法取得兩江匯合后的水位、流量數(shù)據(jù)，目前只能通過(guò)兩個(gè)水文站現(xiàn)有的水文資料來(lái)查找、推斷、分析H 江對(duì)W 江的洪水頂托影響規(guī)律。

2 分析目標(biāo)

以設(shè)在W 江水文站（B）斷面水位～流量關(guān)系為分析目標(biāo)，探索其受H 江水位頂托帶來(lái)的影響變化。2019 年，H 江發(fā)生較大洪水，B 水文站斷面上游來(lái)水量較小且水量相對(duì)穩(wěn)定，但B 水文站水位卻持續(xù)上漲，幅度很大，且較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)處于高水位狀態(tài)，水位～流量關(guān)系曲線很不穩(wěn)定，關(guān)系線多次發(fā)生反曲、逆時(shí)針繩套現(xiàn)象，這種水位升高現(xiàn)象不是源于上游來(lái)水，而是由于下游兩江匯合處水流受干流高水位洪水頂托，下行受阻后向上游反射引起的水流頂托壅高，是非常典型的干流頂托支流案例。選取2019 年6—9 月，A，B 兩個(gè)水文站斷面水位～流量關(guān)系數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析，其間B水文站共計(jì)開展流量測(cè)驗(yàn)35 次，采用實(shí)際測(cè)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制得出水位～流量關(guān)系圖，如圖1 所示，圖1 中1～8 點(diǎn)依次表示B 水文站斷面水位～流量關(guān)系點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生變化的順序過(guò)程；采用A 水文站水位和時(shí)間數(shù)據(jù)繪制水位～時(shí)間關(guān)系圖，如圖2所示，圖2 中1～9 點(diǎn)表示水位節(jié)點(diǎn)。

圖2 H 江A 水文站 時(shí)間～水位關(guān)系圖

3 頂托規(guī)律分析

此次通過(guò)分析水位、流量漲落關(guān)系的同步性（無(wú)頂托時(shí)應(yīng)為單一線性關(guān)系），查找與無(wú)頂托情況下單一線性關(guān)系產(chǎn)生較大偏移的時(shí)間段，進(jìn)一步判斷是否存在頂托現(xiàn)象。對(duì)圖1、圖2 進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)水文站雖然不在同一條河流，但B 水文站流量受頂托影響產(chǎn)生繩套曲線的時(shí)間和變化過(guò)程與A 水文站時(shí)間～水位變化存在一定的關(guān)聯(lián)。

選取圖1 中“1—2”段、“2—3”段、“3—4”段幾個(gè)典型時(shí)段進(jìn)行分析，嘗試從3 個(gè)方向進(jìn)行分析探索W 江受H 江高水位頂托情況，進(jìn)一步總結(jié)洪水頂托規(guī)律。

3.1 分析A 水文站水位臨界值（HA）

1）圖1 中“1—2”段，水位～流量關(guān)系穩(wěn)定，呈單一線性，流量隨水位變化比（關(guān)系線斜率）K1約為10.55，此時(shí)段W 江B 水文站斷面水位沒(méi)有受到頂托，或頂托很小可以忽略。圖1 中“1—2”段，在時(shí)間上與圖2 中“3—4”段相對(duì)應(yīng)。

2）圖1“2—3”段中，B 水文站斷面水位下降緩慢，變幅較小，同時(shí)段相應(yīng)流量卻急劇減小，變幅較大，特別是“點(diǎn)2”附近時(shí)段出現(xiàn)了水位上漲、流量卻減小的現(xiàn)象，即流量變化率為負(fù)、水位變化率為正，流量隨水位變化比K2約為86.92，與不受頂托情況下的單一關(guān)系線斜率出現(xiàn)較大偏差，水位～流量關(guān)系線開始出現(xiàn)反曲、逆時(shí)針繩套形態(tài)。此時(shí)間段水位～流量關(guān)系線斜率與不受頂托情況下的關(guān)系線斜率比值K2/K1為8.24%。這種現(xiàn)象表明，B水文站斷面此時(shí)段內(nèi)水流下行受阻，受到頂托影響，流速減小，致使水位雍高，水位雍高高度隨受頂托程度變化而變化。

由以上兩種情況推斷，在A 水文站斷面存在一個(gè)頂托水位臨界值HA，當(dāng)A 水文站水位低于這個(gè)臨界值以下時(shí)（圖2 中“3—4”段），H 江對(duì)W 江不產(chǎn)生頂托，或頂托影響很小可以忽略；當(dāng)A 水文站斷面水位達(dá)到這個(gè)臨界值HA時(shí)（約在圖2 中“點(diǎn)4”位置），H 江對(duì)B 水文站斷面水位開始產(chǎn)生頂托影響，如圖1 中“2—3”段。由于A，B 兩站距離匯合口處均有一定距離，B 站受到頂托影響的時(shí)間比圖2 中“點(diǎn)4”時(shí)間延后，具體延后時(shí)長(zhǎng)受兩江來(lái)水條件等因素影響，需要通過(guò)多年實(shí)測(cè)水文資料數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析、總結(jié)。

3.2 分析兩個(gè)水文站斷面水位高差的頂托臨界值( HAB)

圖2 中“4—5”段，水位為持續(xù)上漲過(guò)程，且高于HA，B 水文站斷面與此時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的圖1 中“3—4”段卻開始大體呈線性趨勢(shì)，水位～流量關(guān)系關(guān)系斜率K3約為17.96，與不受頂托情況下的水位～流量關(guān)系線偏移程度越來(lái)越小，最后趨于一致。這種現(xiàn)象說(shuō)明，B 水文站斷面在該時(shí)段內(nèi)水體下行運(yùn)動(dòng)受H 江水位頂托影響越來(lái)越小，甚至趨近于無(wú)頂托。此時(shí)間段水位～流量關(guān)系線斜率與不受頂托情況下的關(guān)系線斜率比值K3/K1為1.70 % 。形成這種現(xiàn)象的原因考慮是B 水文站斷面水位在此前受H 江的持續(xù)頂托下，水位不斷雍高，與A 站水位高差逐漸縮小，隨著兩江水位高差逐漸縮小，H 江對(duì)W 江的水位頂托影響也逐漸減小，當(dāng)兩江水位高差縮小到某一數(shù)值時(shí)，H 江對(duì)W江水位不再形成頂托，或頂托很小可以忽略。這個(gè)數(shù)值在本文中定義為兩個(gè)水文站斷面水位高差的頂托臨界值HAB，即當(dāng)H 江A 水文站斷面水位高于HA，但兩個(gè)水文站斷面水位高差低于HAB以下時(shí)，B 水文站斷面水位～流量不受頂托影響，呈單一線性關(guān)系。

3.3 分析兩個(gè)水文站流量比

選取兩個(gè)水文站測(cè)驗(yàn)斷面2019 年6—9 月實(shí)測(cè)水文資料，計(jì)算B 水文站水位頂托壅水高度、A和B 兩個(gè)斷面流量比值，并分析變化過(guò)程，對(duì)比分析不同時(shí)期兩個(gè)水文站流量比(QB/QA)變化，可以得出兩站流量比均小于1，且流量比越小，B 站受頂托越嚴(yán)重，頂托壅水高度越高。B 站、A 站峰現(xiàn)時(shí)間相差約7 d。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析找到準(zhǔn)確的各關(guān)鍵臨界值，就可以在減少B 水文站的流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)情況下，滿足水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的精度，有效控制B 水文站水位～流量過(guò)程，減輕該站水文測(cè)驗(yàn)工作壓力，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，更重要的是可以進(jìn)行水文計(jì)算、提高洪水預(yù)報(bào)精度，為防汛調(diào)度、防洪決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

目前受實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)資料年限和代表性、分析方法及洪水頂托現(xiàn)象本身的復(fù)雜性、不確定性的影響，所得結(jié)論難免存在一定的局限性和不確定性。要想驗(yàn)證以上分析方向正確，并找到準(zhǔn)確的各關(guān)鍵頂托臨界值，還需要積累兩江更多年份洪水資料，從中選取代表性數(shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行分析、總結(jié)、驗(yàn)證。有條件的情況下，引入兩江匯合口處水位、流量數(shù)據(jù)資料，進(jìn)行綜合分析，更有利于提高此項(xiàng)探索工作的效率，提高結(jié)論的精度。