廣義有效水位與流量相關(guān)曲線的創(chuàng)建及應(yīng)用

錢永春 喬萬(wàn)亮

（黑龍江省綏化水文局，黑龍江 綏化152050）

1 概述

此前發(fā)表在2014 年《東北水利水電》雜志第7 期上的《呼蘭河法在冰期水文資料整編中的應(yīng)用》一文，該文只是在大、中河流研究基礎(chǔ)上獲得的結(jié)論，他從一個(gè)側(cè)面反映了冰期臨時(shí)曲線變化的規(guī)律和特點(diǎn)，也就是說(shuō)，該方法僅適用于冰期無(wú)底冰、無(wú)冰上流水冰情現(xiàn)象時(shí)的大、中河流，對(duì)于小河常出現(xiàn)冰上流水等現(xiàn)象時(shí)就不適用了。

至于冰期出現(xiàn)上述冰情現(xiàn)象的中、小河流是否也能采用這種方法？此文正式針對(duì)這一方面問(wèn)題進(jìn)行了研究和探索，同時(shí)也是對(duì)呼蘭河法的應(yīng)用范圍進(jìn)行再擴(kuò)大。最終實(shí)現(xiàn)冰期有效水位與流量關(guān)系曲線在水文資料整編定線中的全面應(yīng)用。

目前，冰期水流變化穩(wěn)定封凍一般緩慢，而非穩(wěn)定封凍期復(fù)雜。冰期資料整編定線都還是使用過(guò)程線法，尤其是中、小河流更是使用流量過(guò)程線法較多。在實(shí)測(cè)流量不能完全控制水流變化過(guò)程的前提下，使用過(guò)程線法定線整編精度較低。假如采用相關(guān)法定線整編，將會(huì)獲得更高的精度提升。

2 概念的提出與計(jì)算

2.1 廣義有效水位

定義：某斷面或某點(diǎn)的水位與其以下的冰厚之差，就稱之為該斷面或某點(diǎn)的廣義有效水位。這里的冰厚有兩方面涵義，一是指通常的水浸冰厚（包括層冰層水的冰厚）和冰花厚；另一是指河底冰厚。也就是說(shuō)，該冰厚是包括水面以下所有的不流動(dòng)的冰厚和冰花厚等，也可以定義水下冰厚為水浸冰厚，這個(gè)水浸冰厚概念不是一般以往所說(shuō)的概念了，賦予了它新的內(nèi)涵，或稱廣義水浸冰厚。過(guò)去講的有效水位實(shí)際上是屬于狹義有效水位，因此，廣義有效水位就是水位與對(duì)應(yīng)的廣義水浸冰厚的差。相對(duì)之下，概念的內(nèi)涵得到了豐富，這樣對(duì)于有效水位應(yīng)用的一些限制條件就完全得到解除。下文提到的有效水位均指廣義有效水位。

2.2 有效水位計(jì)算公式

有效水位計(jì)算這里是指實(shí)測(cè)流量相應(yīng)有效水位的計(jì)算。

有效水位計(jì)算大體分為兩種情況：一是冰期河流等水體的某一過(guò)水?dāng)嗝娲嬖谒虮ɑ驅(qū)颖鶎铀缺?；另一是具有水底冰或冰上流水等冰情。也可能多種冰情間而有之，下面給出綜合斷面有效水位計(jì)算式：

式中：Zy- 有效水位/m；Z- 水位/m；- 斷面平均水浸冰厚/m；- 斷面平均冰花厚/m- 斷面平均水底冰厚/m。

3 計(jì)算斷面平均水底冰厚

對(duì)于中、小河流來(lái)說(shuō)，一個(gè)冰期過(guò)程大致可分為這樣：冰期開(kāi)始是微冰、岸冰、流冰、封凍直至出現(xiàn)連底凍，隨后待到春季冰雪融化開(kāi)始出現(xiàn)冰上流水至終冰結(jié)束。至于正常的水浸冰厚計(jì)算這里就不贅述了[1]，該文僅以冰上流水為例來(lái)進(jìn)行水底冰厚計(jì)算。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面確定

水位流量關(guān)系穩(wěn)定的前提是測(cè)驗(yàn)斷面具有相對(duì)穩(wěn)定性，也就是斷面控制，如果河底變化時(shí)常抬高或時(shí)常下降幅度很大，那么水位與流量的關(guān)系肯定不會(huì)很好?；谏鲜鲈颍蔷托枰_定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)穩(wěn)定的斷面或河段。在發(fā)生連底凍之前，水流是處于冰蓋以下原河底以上，若是經(jīng)過(guò)連底凍之后再發(fā)生冰上流水，這時(shí)由于底冰的存在而河底被顯著抬高。在此情況下，為了保持有效水位在整個(gè)冰期的一致性，需要確定以原河底為標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定斷面。

具體操作是：將靠近發(fā)生連底凍以前的那次實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)為河底處的斷面高程數(shù)據(jù)，涉及到兩岸的部分河底高程采用之前較近的一些測(cè)次數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)斷面高程數(shù)據(jù)，即根據(jù)冰底邊向兩岸推算河堤高程。

3.2 斷面平均水底冰厚

對(duì)于冰上流水，已知實(shí)測(cè)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（這里也是有效斷面面積）和水面寬，利用水面寬各個(gè)部分間對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)距，從標(biāo)準(zhǔn)斷面圖上查得河底高程以水位減之，就可利用這些相當(dāng)于原斷面處的水深數(shù)據(jù)，計(jì)算該水位下的原斷面面積數(shù)值。原斷面面積與實(shí)測(cè)斷面積的差值再除以水面寬就得到斷面平均水底冰厚。其公式如下：

4 有效水位推求過(guò)程

有效水位分兩部分：一部分是相對(duì)實(shí)測(cè)流量的相應(yīng)有效水位；另一部分是對(duì)應(yīng)水位系列的瞬時(shí)有效水位。通過(guò)實(shí)測(cè)流量以及包括利用公式（2）等計(jì)算所得到的斷面平均水浸冰厚[1]和相應(yīng)水位，利用公式（1）就可計(jì)算相應(yīng)有效水位。

瞬時(shí)有效水位計(jì)算，根據(jù)一個(gè)完整冰期的實(shí)測(cè)斷面平均水浸冰厚變化，點(diǎn)繪實(shí)測(cè)過(guò)程線圖，將各實(shí)測(cè)點(diǎn)以平滑曲線相連接，就建成實(shí)測(cè)斷面平均水浸冰厚過(guò)程線（見(jiàn)圖1）。以瞬時(shí)水位的各個(gè)時(shí)間結(jié)點(diǎn)就可查讀其水浸冰厚值。同樣地利用公式（1）就可以計(jì)算瞬時(shí)有效水位（見(jiàn)圖1）。

5 有效水位與流量相應(yīng)關(guān)系曲線

圖1 有效水位及綜合過(guò)程線圖

以有效水位為自變量，分別給出以流量、面積、流速為函數(shù)的關(guān)系式，則

式中：Qt- t 時(shí)刻的相應(yīng)斷面流量/ m3/s；At- t 時(shí)刻的相應(yīng)斷面面積/ m2；Vt- t 時(shí)刻的相應(yīng)斷面平均流速/m/s；Zy,t- t時(shí)刻的相應(yīng)有效水位/m。通過(guò)定線發(fā)現(xiàn)：有效水位流量和有效水位流速與暢流期沒(méi)什么差別，而面積線出現(xiàn)了一些特殊性，表現(xiàn)為在不同時(shí)期各自符合基本線型，而把一個(gè)過(guò)程的各時(shí)期線型統(tǒng)一起來(lái)看，具有明顯的疊加性（見(jiàn)圖2）。

6 結(jié)論

有效水位這一概念延伸到廣義有效水位，這是利用某水文站具有冰上流水冰情、水情現(xiàn)象開(kāi)始著手研究得出的結(jié)論，目的是擴(kuò)大呼蘭河法在冰期水文資料整編中的應(yīng)用范圍。即對(duì)提高冰期資料整編精度，也同時(shí)把暢流期定線與冰期定線有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，對(duì)全面加強(qiáng)冰期水文資料整編質(zhì)量，脫離一些低級(jí)的整編方法，提供一個(gè)很重要的參考。

圖2 有效水位～流量、面積、流速相關(guān)曲線圖

通過(guò)此次進(jìn)一步研究，廣義有效水位與流量相關(guān)曲線的創(chuàng)建及應(yīng)用，在冰期水文資料整編中，既得到了充分證明，又能進(jìn)一步拓展到中、小河流的水文資料整編。