基于綜合落差指數(shù)法的監(jiān)利（二）站水位流量關(guān)系單值化分析

牟蕓 吳世勇

摘要：監(jiān)利（二）水文站位于監(jiān)利河段，是長(zhǎng)江中下游重要控制站。水位一流量關(guān)系主要受洪水漲落、斷面沖淤、洞庭湖回水頂托等影響，水位一流量關(guān)系復(fù)雜，多為變形的繩套關(guān)系曲線(xiàn)，流量測(cè)次較多。選取2010 - 2017年監(jiān)利（二）站實(shí)測(cè)水位和流量資料，選用新廠(chǎng)（二）和廣興洲水位站作為落差輔助站，采用綜合落差指數(shù)法開(kāi)展水位一流量關(guān)系單值化分析，將落差系數(shù)設(shè)為落差和監(jiān)利（二）站水位的函數(shù)，并采用試錯(cuò)法確定落差指數(shù)。結(jié)果表明，水位一流量關(guān)系單值化分析結(jié)果較好，滿(mǎn)足現(xiàn)行水文整編規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：水位一流量關(guān)系;綜合落差指數(shù)法，單值化法;監(jiān)利（二）站

中圖法分類(lèi)號(hào)：P332

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.08.002

1 測(cè)站概況

監(jiān)利（二）水文站是國(guó)家基本水文站，一類(lèi)精度水文站，位于湖北省監(jiān)利縣，東經(jīng)112°38 ′，北緯29°42′，為長(zhǎng)江中游干流控制站。測(cè)驗(yàn)河段位于下荊江監(jiān)利河段，測(cè)流斷面位于基本水尺斷面上游30 m，上下游500 m的順直河段。洞庭湖在斷面下游約90 km處匯人長(zhǎng)江，導(dǎo)致本站水位一流量關(guān)系受回水頂托影響明顯。測(cè)驗(yàn)河段平面圖如圖1所示。

1.1 斷面情況

流量測(cè)驗(yàn)斷面呈偏“V”型，主泓偏右，右岸為陡坡，有水泥塊護(hù)岸，河床由中細(xì)沙組成，汛期沖淤變化較大，近年左岸逐年淤積。三峽水庫(kù)蓄水前監(jiān)利（二）站測(cè)驗(yàn)斷面呈緩慢淤積態(tài)勢(shì)，蓄水后斷面呈輕微沖刷態(tài)勢(shì)。斷面深泓位置未發(fā)生明顯變化，但有逐漸加深的趨勢(shì)。

1.2 水位一流量關(guān)系

監(jiān)利（二）站水位一流量關(guān)系主要受洪水漲落、斷面沖淤、洞庭湖回水頂托影響，關(guān)系曲線(xiàn)呈變形的繩套曲線(xiàn)。監(jiān)利（二）站至城陵磯（七里山）站水位落差變化是監(jiān)利（二）站布置流量測(cè)次、繪制水位一流量關(guān)系曲線(xiàn)的重要參考依據(jù)。

2 水位一流量關(guān)系單值化方案確定

目前，長(zhǎng)江干流宜昌站[1]、沙市（二郎磯）站[2]、螺山站[3]以及漢口站[4]等均采用綜合落差指數(shù)法開(kāi)展水位一流量關(guān)系單值化分析，效果較好。監(jiān)利（二）站水位一流量關(guān)系影響因素與以上各站大致相同。因此，考慮采用綜合落差指數(shù)法開(kāi)展水位一流量單值化分析。校正流量因素計(jì)算公式為式中，g為校正流量因素;Qm為實(shí)測(cè)流量，m3/s; Ki為流量改正系數(shù);K2為綜合落差改正系數(shù);△Zm為綜合落差，m;a為落差指數(shù)。

2.1輔 助水尺的選擇

監(jiān)利（二）站上游水位站主要有新廠(chǎng)（二）、石首（二）、調(diào)弦口等站，離基本水尺斷面距離分別約為80.0，66.5 km和34.1 km;下游水位站主要有廣興洲、城陵磯（七里山）等站，離基本水尺斷面距離分別約為26.4 km和83.6 km。通過(guò)組合試錯(cuò)法，最終選擇新廠(chǎng)（二）站和廣興洲站作為落差輔助站。新廠(chǎng)（二）站與監(jiān)利（二）站落差反映上游來(lái)水影響，監(jiān)利（二）站與廣興洲站落差反映下游洞庭湖回水頂托影響。

2.2 分析資料的選擇

考慮到監(jiān)利（二）站基本水尺于2010年1月上遷6 km，從左岸遷至右岸，分析資料選用監(jiān)利（二）站2010～ 2017年共8a的實(shí)測(cè)水位、流量和整編資料，總計(jì)510次實(shí)測(cè)流量。樣本資料中實(shí)測(cè)最高水位36.22 m，最低水位24.68 m，實(shí)測(cè)最大流量35 600m3/s，最小流量5 870 m3/s。樣本資料中豐水年份有2012年、2014年、2017年，平水年份有2010年、2015年，枯水年份有2013年，資料代表性較好。同時(shí)選用新廠(chǎng)（二）站和廣興洲水位站2010～ 2017年水位整編成果。以上資料工序完善、精度可靠。

2.3 Km、a的選擇

3 水位一流量關(guān)系單值化方案精度分析

3.1 水位一校正流量關(guān)系曲線(xiàn)

通過(guò)以上建立的水位一流量關(guān)系單值化方案，根據(jù)選用的資料分別計(jì)算監(jiān)利（二）站2010～ 2017年各年實(shí)測(cè)流量對(duì)應(yīng)的校正流量，繪制各年水位一校正流量關(guān)系曲線(xiàn)，并進(jìn)行3種檢驗(yàn)，各年定線(xiàn)精度如表1所示。

從表1可以看出，監(jiān)利（二）站各年水位一校正流量關(guān)系曲線(xiàn)定線(xiàn)精度均優(yōu)于規(guī)范對(duì)一類(lèi)精度站所要求的標(biāo)準(zhǔn)。SL247-2012《水文資料整編規(guī)范》對(duì)一類(lèi)精度水文站采用水力因素法的定線(xiàn)精度指標(biāo)為：系統(tǒng)誤差≤+2%，隨機(jī)不確定度≤10%。

對(duì)各年水位一校正流量因素關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)某些年份局部時(shí)段的校正流量點(diǎn)據(jù)存在不同程度的系統(tǒng)偏離現(xiàn)象，這些情況一般出現(xiàn)在洪水漲落急劇或者峰頂峰谷附近某一時(shí)段，由于持續(xù)時(shí)間較短，總體來(lái)說(shuō)對(duì)推求流量成果影響不大。

3.2 整編成果精度分析

按照以上水位一流量關(guān)系單值化方案，采用南方片水文資料整匯編軟件，對(duì)監(jiān)利（二）站2010～2017年各年資料重新進(jìn)行整編，推求流量整編成果。為了檢驗(yàn)監(jiān)利（二）站水位一流量關(guān)系單值化方案的推流精度，以監(jiān)利（二）站歷年采用的連時(shí)序法流量整編成果為標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算、統(tǒng)計(jì)各年綜合落差指數(shù)法與連時(shí)序法各項(xiàng)流量特征值誤差，誤差統(tǒng)計(jì)如表2所示。從表2可看出，各項(xiàng)流量特征值誤差較小，各年年平均流量和年徑流量誤差均在±1%范圍內(nèi)，單值化方案整編成果精度較高（由于平均流量保留3位有效數(shù)字，所以相對(duì)誤差和年徑流量相對(duì)誤差值不完全相等）。

3.3 洪水過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)2010-2017年各年連時(shí)序法和單值化方案推求的逐日平均流量過(guò)程線(xiàn)對(duì)照?qǐng)D和最大洪水繩套曲線(xiàn)對(duì)照?qǐng)D進(jìn)行分析，以2017年為例，逐日平均流量過(guò)程線(xiàn)對(duì)照?qǐng)D如圖2所示，最大洪水繩套曲線(xiàn)對(duì)照?qǐng)D如圖3所示。

由圖2-3可知，兩種方案推求的逐日平均流量過(guò)程線(xiàn)總體上對(duì)應(yīng)較好，但在某些時(shí)段也不能很好的重疊，分析原因主要有兩點(diǎn)：①連時(shí)序法繪制水位一流量關(guān)系曲線(xiàn)時(shí)，某些局部時(shí)段一般采用合并定線(xiàn)，導(dǎo)致此時(shí)段存在一定的系統(tǒng)偏離;②落差輔助水尺處水位對(duì)河段水位落差變化反映不夠靈敏，導(dǎo)致峰頂峰谷的轉(zhuǎn)折處以及相鄰兩次洪水過(guò)程之間的小幅洪水變化過(guò)程對(duì)應(yīng)不佳。

對(duì)于同一洪水過(guò)程，采用單值化法和連時(shí)序法推求的洪水繩套曲線(xiàn)線(xiàn)型基本一致，但吻合度不高，主要是因?yàn)閺?fù)式洪水水位漲落變化頻繁，水位一流量關(guān)系比較復(fù)雜，用有限的流量測(cè)點(diǎn)擬合的水位一流量關(guān)系人為均勻化了流量變化過(guò)程，與實(shí)際的水位一流量關(guān)系在某一時(shí)段不一致。雖然吻合不佳，但相對(duì)偏離不大，推求的流量相對(duì)誤差較小。

3.4 相應(yīng)流量報(bào)汛精度分析

采用上一年擬合的水位一校正流量關(guān)系曲線(xiàn)開(kāi)展相應(yīng)流量報(bào)汛，以當(dāng)年采用連時(shí)序法整編推求的實(shí)時(shí)流量成果為標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算目前的報(bào)汛方案、單值化報(bào)汛方案的相應(yīng)流量誤差，具體選擇2017年每日08：00報(bào)汛資料進(jìn)行誤差分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，與年終采用連時(shí)序法整編推求的時(shí)段流量比較，采用水位一流量關(guān)系單值化方案報(bào)汛，系統(tǒng)誤差為1.25%，平均誤差為3.O9%（查讀實(shí)時(shí)水位流量關(guān)系曲線(xiàn)報(bào)汛系統(tǒng)誤差為1.28%，平均誤差為4.04%），相應(yīng)流量報(bào)汛精度優(yōu)于目前采用的查讀實(shí)時(shí)水位一流量關(guān)系曲線(xiàn)報(bào)汛精度。

4 結(jié)語(yǔ)

采用綜合落差指數(shù)法對(duì)監(jiān)利（二）站水位一流量關(guān)系開(kāi)展單值化分析，將落差系數(shù)設(shè)為落差和監(jiān)利（二）站水位的函數(shù)，并采用試錯(cuò)法確定落差指數(shù)。水位一流量關(guān)系單值化分析結(jié)果較好，滿(mǎn)足現(xiàn)行水文整編規(guī)范要求，投產(chǎn)使用后，能夠大幅度減少流量測(cè)次，降低測(cè)驗(yàn)成本，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高相應(yīng)流量報(bào)汛精度。但是當(dāng)測(cè)驗(yàn)河段局部時(shí)段出現(xiàn)斷面沖淤變化大、洪水陡漲陡落、回水頂托嚴(yán)重等特殊水情時(shí)，該單值化方案使用效果欠佳，需要恢復(fù)連時(shí)序法開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)和整編。今后要加強(qiáng)對(duì)Km1、Km2的計(jì)算與分析，解決該方案對(duì)于特殊水情擬合度不高的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振洋，王寶成，樊麗娜，等，三峽水庫(kù)一葛州壩水庫(kù)調(diào)度影響下宜昌站流量單值化方案優(yōu)化[Jl.水利水電快報(bào)，2019，40（2）：35-38.

[2]吳世勇，劉曉琴，彭艷明.沙市（二郎磯）站水位流量關(guān)系單值化分析研究[J].人民長(zhǎng)江，2010，41（21）：42-44.

[3] 陳建湘，王濤，汪衛(wèi)東.螺山站水位流量關(guān)系單值化研究與創(chuàng)新[J].水文，2011，31（1）：154-157.

[4] 張亭，吳堯，漢口水文站水位流量單值化方案及其應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江，2014，45（9）：39-42.