落差指數(shù)法在金安橋水文站的應(yīng)用

【摘要】金沙江金安橋水文站位于金沙江流域上游，流域面積239853平方公里 ，測流斷面基本穩(wěn)定，但受變動(dòng)回水頂托和洪水漲落率的綜合影響， 水位～ 流量關(guān)系較為復(fù)雜， 給測站的流量測驗(yàn)和內(nèi)業(yè)整編以及水情預(yù)報(bào)工作增加了很大的難度，用傳統(tǒng)的天然水位與實(shí)測流量值建立關(guān)系推流整編已不能很好的控制和反應(yīng)其真實(shí)的徑流過程。該文結(jié)合本站的實(shí)測資料，選取下游電站壩上水位作為參證站，用落差指數(shù)法對其進(jìn)行單值化處理， 經(jīng)一系列推導(dǎo)計(jì)算確定推流方程式， 編程對其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算， 利用建立的Z-q關(guān)系線可快速反推流量，并且與實(shí)測流量比較發(fā)現(xiàn)，精度較高，為金安橋的水文資料自動(dòng)化整編提供新的途徑，對今后金安橋站的測驗(yàn)以及報(bào)汛工作有著重要意義，可在廣大基層水文單位推廣使用。

【關(guān)鍵詞】水位 流量關(guān)系；落差；單值化

1.水文站基本概況

金安橋水文站基本斷面上游約500m，有金沙江大橋。上游約2.5km，有金安橋電站。距基本斷面上游750m處有一山溪性小河，由左岸匯入名五郎河?；緮嗝嫦掠渭s500m河道向右彎曲。測驗(yàn)河段順直，無漫灘、無岔流、串溝水流平穩(wěn)，下游約38km是龍開口電站。隨著金安橋下游龍開口電站的建成投產(chǎn)，該站受到電站蓄放水和上游來水影響，使得斷面水位流量關(guān)系愈加復(fù)雜，增加了金安橋站水位流量定線的難度。

2.影響金安橋站水沙特性的主要因素

2.1上游電站放水影響

上游金安橋水庫正常蓄水位為1418m，是“西電東送”戰(zhàn)略目標(biāo)的骨干電站之一。金安橋電站蓄放水頻繁，據(jù)2014年金安橋水電站開關(guān)閘部分?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)來水量較小時(shí)每日至少一個(gè)時(shí)段開關(guān)閘，當(dāng)來水量較大時(shí)每日開關(guān)閘次數(shù)較多，最多一日開關(guān)閘6次。由于金安橋水電站開關(guān)閘影響，水位變化頻繁急劇無規(guī)律，流量變化難以控制。

2.2下游電站蓄水影響

下游華能龍開口水電站位于云南省大理州鶴慶縣龍開口鎮(zhèn)境內(nèi)，是金沙江中游河段水電規(guī)劃“一庫八級(jí)”開發(fā)的第六級(jí)電站。上接金安橋水電站，下鄰魯?shù)乩娬?。以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、旅游等綜合利用功能。樞紐由碾壓混凝土重力壩、泄洪沖沙建筑物、右岸壩后式廠房、左右兩岸灌溉取水口等建筑物組成。水庫正常蓄水位1298米，總庫容5.07億立方米，電站裝機(jī)容量1800MW。汛期雨量多，強(qiáng)度大。多年平均氣溫19.8℃，多年平均降雨量1000mm左右。下游龍開口電站蓄水時(shí)，金安橋站水位流量關(guān)系受變動(dòng)回水影響，同水位下金安橋站流量變小。

3.金安橋站水位流量關(guān)系

金安橋站在上下游電站未運(yùn)行之前屬于天然河道，水位流量關(guān)系平穩(wěn)，至2013年電站運(yùn)行以后，金安橋站作為金沙江的重要控制站，由于受上游金安橋電站和下游龍開口電站共同影響，水位流量關(guān)系紊亂，如下圖（2），流量點(diǎn)子非常雜亂，走勢無規(guī)律，由于水位流量關(guān)系變化無規(guī)律，測次控制不易布置，采用臨時(shí)曲線法定線多處曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處無實(shí)測流量控制，峰頂峰谷定線任意性較大。

4 金安橋落差推流原理分析

4.1 落差法適用條件

落差指數(shù)法適用于水位-流量關(guān)系（Z-Q） 受變動(dòng)回水頂托、洪水漲落影響或洪水漲落與回水頂托共同影響的單值化處理； 與常規(guī)采用的等落差法、定落差法、校正因素法、抵償河長法、連時(shí)序法（繩套曲線法） 等相比， 不僅簡化了整編的工作量， 而且能達(dá)到定線推流的精度要求。

4.2 參證站選擇

金安橋站位于金安橋電站壩下游和龍開口電站壩上游，距離金安橋電站大壩約2.5km，中間無其他測站參考。因此選擇龍開口壩上水位作為計(jì)算落差的參證水位。現(xiàn)已有2014年和2015年金安橋站全年實(shí)測流量資料和龍開口壩上的水位資料，根據(jù)分析可以利用落差法來推求金安橋站的流量。

4.3 基本原理

落差指數(shù)法的基本公式如下：

（1）.假設(shè)同一水位不同落差的流量符合下式：

Q1/（?Z1β）= Q2/（?Z2β）=q

式中Q1、Q1 ―相同水位下不同落差的流量，m3/s；

?Z1、?Z2―與Q1、Q2相應(yīng)的落差，m；

β―落差指數(shù)

q―流量與落差β次方之比（或稱校正流量因數(shù)）

（2）.優(yōu)選落差指數(shù)β值：β值的變化范圍為0.2～0.8，這個(gè)范圍之間可采用試錯(cuò)法或優(yōu)選法，以定出的Z―q關(guān)系曲線，通過適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、反曲檢查而且不確定度最小時(shí)的β為最佳β值。

（3）.確定水位與校正因數(shù)關(guān)系曲線：根據(jù)選出的最優(yōu)β值所定的Z― q關(guān)系曲線，定線精度符合單一曲線的定線要求，即為推求流量采用的曲線。

（4）.通過本站水位與落差參證站的水位計(jì)算相應(yīng)的落差?Z，用本站水位推得q值，利用優(yōu)選的β值按照公式Q/（?Zβ）=q反推流量。

5、落差指數(shù)法分析

5.1 分析步驟

落差指數(shù)法通過試算， 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差最小的原則優(yōu)選落差指數(shù)β 值， 具體步驟如下：

1） 根據(jù)已有的實(shí)測流量成果表， 按測次先后點(diǎn)繪出水Z～Q關(guān)系曲線， 并點(diǎn)繪出相應(yīng)落差值；

2） 在點(diǎn)繪出的水位-流量關(guān)系曲線上， 按水位變幅找出各級(jí)相同相近水位的實(shí)測最大和實(shí)測最小流量及相應(yīng)的落差值；

3） 對其公式Q1/（△Z1） β=Q2/（△Z2） （β 兩邊取常用對數(shù)）， 可得β 值的計(jì)算公式：β= （lgQmax-lgQmin） /（lg△Zmax -lg△Zmin）

試中： Qmax、Qmin、△Zmax、△Zmin 分別為各級(jí)相同或相近水位的實(shí)測最大和實(shí)測最小流量及相應(yīng)的落差值；

4） β 值的優(yōu)選和確定Z-q 關(guān)系曲線。①通過β 值的計(jì)算公式， 可求出同級(jí)水位或相近水位β 值， 得出不同組合的β 值， 取其算術(shù)平均數(shù)β=Σβi/n 作為β 優(yōu)選時(shí)的初始參考值， 賦予β 值各不相同的步長，確定n 個(gè)β 待選值， 分別算出本年度內(nèi)各次實(shí)測流量， 對應(yīng)校正流量因素q=Q/（△Z） β； ②點(diǎn)繪相應(yīng)實(shí)測流量測次所對應(yīng)的相應(yīng)水位與校正流量因素關(guān)系曲線（Z-q 關(guān)系曲線）， 相應(yīng)的每一個(gè)β 值各自對應(yīng)一條Z-q 線， 選擇其中一條點(diǎn)子相對密集，且符合單一曲線法定線精度要求， 通過適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、反曲檢驗(yàn)， 并且不確定度為最小的一條Z-q 線作為最后通過落差指數(shù)法校正后的最優(yōu)Z-q 線， 得出的β 值即為最優(yōu)值。

5） 推流。根據(jù)落差參證站水位變化過程計(jì)算的落差△Z 和優(yōu)選的β 值，用本站水位推得q 值，與相應(yīng)的（△Z） β 值的乘積，即為推求的流量Q。

6）由于金安橋站不適合固定的指數(shù)，故而采用了根據(jù)落差的不同，采用不同的指數(shù)，形成了落差指數(shù)關(guān)系。

5.2下列為金安橋水文站2014年落差指數(shù)法流量成果：

5.3落差指數(shù)法的應(yīng)用

作為水位、流量關(guān)系曲線單值化處理的落差指數(shù)法， 指數(shù)能確定地反映兩種因素影響下的水力特性。計(jì)算2014 年各測次的Qc 與曲線上查得的Q′c 的相對誤差， 在共62個(gè)點(diǎn)子中，小于12 %的有62 個(gè)，合格率100%；小于6%的有49個(gè)， 合格率達(dá)到79.0 %；2015年各測次的Qc 與曲線上查得的Q′c 的相對誤差， 在共44個(gè)點(diǎn)子中，12%以上的只有一個(gè)，小于12 %的有43個(gè)，合格率97.7%；小于6%的有35個(gè)， 合格率達(dá)到79.5 %，誤差控制滿足有關(guān)《規(guī)范》要求。

因此，落差指數(shù)法可用于類似于金安橋水文站受洪水漲落和變動(dòng)回水影響， 以及兩種因素影響的水位、流量關(guān)系的校正計(jì)算。具有較好的適用性。用落差指數(shù)法校正流量，β 值的作用不可忽視，以往選用β 值都是定值。目前，除了固定指數(shù)之外， 還可以用分段固定指數(shù)及變動(dòng)指數(shù)。同時(shí)與綜合落差法配套使用， 增強(qiáng)了它的適用性。由于西部的開發(fā)，金沙江上的梯級(jí)電站越來越多，受電站影響的水文站的水位流量關(guān)系也逐步增加，因此，落差指數(shù)法會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

6. 結(jié)語

本文針對金安橋水文站在河床基本穩(wěn)定的前提下， 受上下游電站蓄放水及洪水漲落混合影響的水位流量關(guān)系，應(yīng)用金安橋水文站2014 年和2015年實(shí)測資料， 通過下游電站壩下水位跟本站水位建立落差關(guān)系，利用落差指數(shù)法對其水位～ 流量關(guān)系進(jìn)行單值化處理， 率定出落差指數(shù)關(guān)系。用落差指數(shù)法不僅有理論根據(jù)，用分段固定指數(shù)及變動(dòng)指數(shù)，β 值使用合理，定線的各項(xiàng)要素都符合推流的技術(shù)要求。落差指數(shù)法為提高金安橋水文站定線、推流效率提供了技術(shù)支持， 也為水文資料的自動(dòng)化整編提供新途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 水文資料整編規(guī)范（SL 247-2012） 北京：中國水利水電出版社發(fā)行

作者簡介：

梅同單（1985.10.08）男，工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報(bào)工作

李丹（1984.06.19）女，工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報(bào)工作

石永恩（1986.03.29）男，助理工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報(bào)工作

劉明（1988.03.08）男，助理工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報(bào)工作