水電站泄流控制影響的下游水文站流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)新方法研究

于嵐嵐

(遼寧省省河庫管理服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

由于上游水電站泄流控制影響，其河道流量變化幅度較大，下游河道水文站測(cè)流頻次受上游水電站泄流變化影響較大，汛期測(cè)流頻次較大，而由于水文站測(cè)站采用人工傳統(tǒng)測(cè)流方式，隨著水電站泄流影響，其測(cè)流頻率勢(shì)必加大，水文測(cè)流任務(wù)也加重，對(duì)水文測(cè)流影響也較大。近些年來，對(duì)上游水電站泄流控制影響的水文測(cè)驗(yàn)方式得到國(guó)內(nèi)許多學(xué)者的研究[1- 5]，這其中主要采用兩種方式進(jìn)行，第一種是結(jié)合H-ADCP[6]或者非接觸式雷達(dá)[7]進(jìn)行斷面流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，這種方式存在自動(dòng)化程度快、測(cè)流時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，但是由于這種測(cè)流方式主要基于斷面穩(wěn)定情況下進(jìn)行流量的反推，對(duì)于斷面沖淤變化大的河流，其適用性不高。第二種方式是建立斷面水位流量關(guān)系進(jìn)行流量反推[8]，這種方式經(jīng)濟(jì)且較為簡(jiǎn)便，但是由于受到上游河道下泄流量影響，其水位流量關(guān)系較為紊亂，雖然可以進(jìn)行單值化處理，但是其操作難度較大。當(dāng)前，有學(xué)者結(jié)合水文、水動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行受人為影響的城市河道流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)[9- 10]，但在水電站泄流控制影響下的河道水文測(cè)驗(yàn)中還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本文結(jié)合水文、水動(dòng)力模型(馬斯京根模型、DHI-MIKE模型)定量識(shí)別水利工程出水量與水文站實(shí)測(cè)流量關(guān)系，由水利工程出水量推求水文站流量，建立水利工程下游河段水文站流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)新方法，成果為類似水文站測(cè)流新方法提供重要的參考價(jià)值。

1 研究方法

考慮到馬斯京根模型、DHI-MIKE模型在國(guó)內(nèi)應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，其模型原理可詳見參考文獻(xiàn)[11- 12]?？紤]到模型驗(yàn)證指標(biāo)十分重要，對(duì)各驗(yàn)證指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行介紹。

本文分別采用相關(guān)系數(shù)指標(biāo)、水量誤差指標(biāo)、誤差合格率指標(biāo)、函數(shù)一致性、均方誤差指標(biāo)以及放水過程吻合系數(shù)指標(biāo)對(duì)兩個(gè)模型的流量反推精度進(jìn)行分析。

(1)相關(guān)系數(shù)R。R越接近1，表明模型模擬的流量越符合實(shí)際情況。本文選擇R>0.7作為模擬值與實(shí)測(cè)值相關(guān)水平的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

(1)

(2)徑流總量的相對(duì)誤差E(%)，當(dāng)E<20%時(shí)，即為合格。

(2)

(3)合格率QR。當(dāng)誤差合格率滿足測(cè)驗(yàn)精度要求時(shí)認(rèn)為合格率滿足要求。

(3)

(4)一致性指標(biāo)d。d越接近1，表明模擬的流量越符合實(shí)際情況。

(4)

(5)均方根誤差RMSE，其數(shù)值越接近0，說明模型模擬的結(jié)果越好。

(5)

2 研究成果

2.1 區(qū)域及數(shù)據(jù)概況

本文以遼寧丹東地區(qū)某電站下游河道水文站為研究實(shí)例，該水文站距離上游電站15km，受到上游電站泄流控制影響，水文站流量呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)變化，采用傳統(tǒng)測(cè)流方式，其水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)無法完成，需要探討流量自動(dòng)推求方法，實(shí)現(xiàn)流量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。為此本文結(jié)合該水文站1963—2018年實(shí)測(cè)的日徑流數(shù)據(jù)以及電站泄流控制數(shù)據(jù)，建立水電站出水量與水文站實(shí)測(cè)流量關(guān)系。

2.2 流量傳播時(shí)間的推求

結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)模型，基于水文站流量數(shù)據(jù)系列，對(duì)河道流量傳播時(shí)間進(jìn)行推求，灰色速率關(guān)聯(lián)值見表1。

表1 研究河段的灰色速率關(guān)聯(lián)度值

從表1中可看出，研究河段的灰色速率關(guān)聯(lián)度值都較大，這主要是因?yàn)楹佣紊舷掠瘟髁亢退Ρ冉稻哂休^好的相關(guān)性，使得其傳播關(guān)聯(lián)速率值均較大。從各時(shí)間尺度下的灰色速度關(guān)聯(lián)值分析結(jié)果可看出，各月份下對(duì)應(yīng)的日系列中的灰色速度關(guān)聯(lián)值均最大，因此，該河段水文站傳播的時(shí)間尺度為日尺度，可以進(jìn)行日平均流量的反推計(jì)算。

2.3 馬斯京根模型模擬結(jié)果

在傳播時(shí)間確定的基礎(chǔ)上，采用馬斯京根對(duì)該河段下游流量進(jìn)行演算，模型評(píng)定結(jié)果見表2，并建立水電站出流與流量的相關(guān)函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式的精度評(píng)定結(jié)果見表3。

表2 馬斯京根日模型精度評(píng)定結(jié)果

表3 水電站出流與流量相關(guān)函數(shù)表達(dá)式精度評(píng)定結(jié)果

結(jié)合水電站泄流數(shù)據(jù)，建立泄流數(shù)據(jù)和水文站實(shí)測(cè)流量的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系方程為y=0.8488x+1.7235。結(jié)合該相關(guān)關(guān)系，模擬得到不同時(shí)間尺度下水文站測(cè)驗(yàn)斷面的日平均流量。從表2中可看出，馬斯京根模型模擬值和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)總體可0.8以上，各時(shí)間段下的徑流深誤差小于10%，模擬合格率也均在70%以上，模擬精度達(dá)到水文測(cè)驗(yàn)的相關(guān)規(guī)范要求。從構(gòu)建的函數(shù)表達(dá)式評(píng)定結(jié)果可看出，各函數(shù)表達(dá)式下的一致性指標(biāo)都在1.0附近，均方根誤差趨近于0，因此可看出各表達(dá)式的精度評(píng)定值符合測(cè)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 MIKE模型模擬結(jié)果

采用MIKE模型分析其模擬的精度，考慮到糙率影響，分析不同糙率值變化下日徑流模擬精度，結(jié)果見表4，并建立該模型下水電站出流與流量的相關(guān)函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式的精度評(píng)定結(jié)果見表5。

表4 不同糙率下影響下日流量模擬精度評(píng)定結(jié)果

表5 水電站出流與流量相關(guān)函數(shù)表達(dá)式精度評(píng)定結(jié)果

從表4中可看出，糙率對(duì)日平均流量模擬的影響較大，結(jié)合泄流數(shù)據(jù)和水文站實(shí)測(cè)流量的相關(guān)關(guān)系方程為y=0.8488x+1.7235，推求MIKE模型不同糙率下的日平均徑流模擬結(jié)果。從評(píng)定結(jié)果可看出，相關(guān)系數(shù)R以及一致性指標(biāo)值均較高，其他評(píng)定指標(biāo)也符合水文測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求。通過對(duì)區(qū)域河道糙率的綜合分析，選定其綜合糙率值為0.029為斷面的最優(yōu)糙率變化值。從表5中各函數(shù)表達(dá)式的可看出，MIKE模型下各函數(shù)表達(dá)式下模擬的相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，徑流中的相對(duì)誤差控制在10%以內(nèi)，各時(shí)間段模擬的合格率可以達(dá)到75%以上，精度均符合水文測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求，其一致性指標(biāo)趨近于1.0，均方誤差均在0.3以內(nèi)，MIKE模型也可滿足其水文測(cè)驗(yàn)流量的精度要求。

2.5 各模型模擬方案優(yōu)選

為對(duì)各模型模擬方案進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)不同模型時(shí)間段下的精度進(jìn)行對(duì)比，模型模擬方案優(yōu)選結(jié)果見表6。

表6 不同模型日平均流量模擬精度評(píng)定結(jié)果

從表6中可看出，各時(shí)間段下MIKE模型的總體合格率好于馬斯京根模型，這主要是因?yàn)镸IKE模型可考慮河道糙率和斷面形態(tài)的綜合影響，而馬斯京根模型不能考慮河道糙率的影響，因此流量模擬精度要低于MIKE模型，特別是對(duì)于山區(qū)型河流，MIKE模型總體模擬精度要好于馬斯京根模型。但是MIKE模型由于需要的河道地形數(shù)據(jù)較多，因此在缺少道地形數(shù)據(jù)的區(qū)域其適用性不高，還需要選擇馬斯京根模型進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)論

(1)在河道地形數(shù)據(jù)較為全面的區(qū)域可綜合考慮糙率和河道斷面形態(tài)綜合影響的MIKE模型，用來演算受水電站泄流控制影響下的水文站流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)，但在河道地形數(shù)據(jù)缺乏的區(qū)域具有一定的使用限制。

(2)由于只考慮了單一水電站泄流控制影響下水文站的流量推求，而未能考慮受到電站群影響下的流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)，在以后的研究中還需要重點(diǎn)考慮電站群控制影響下的水文測(cè)驗(yàn)方式研究。