宜昌水文站不同流量整編方法對比分析

（長江水利委員會水文局長江三峽水文水資源勘查局，湖北宜昌 443000）

1 測站概況

宜昌水文站（以下簡稱“宜昌站”）位于長江中游干流上段，是長江三峽水利樞紐（宜昌斷面上游44 km））和葛洲壩水利樞紐（宜昌斷面上游6 km）的出庫站，控制流域面積1 005 501 km2，約占長江流域集水面積的55.8%。測驗河段基本順直，斷面較為穩(wěn)定，近年來因上游來沙減少導(dǎo)致河段河床下切現(xiàn)象逐漸趨于平衡。長期以來，宜昌站為長江河道演變觀測、中下游防洪抗旱、葛洲壩及三峽水利樞紐工程建設(shè)及運行提供了大量珍貴翔實的第一手水文資料。

宜昌站總體受長河槽控制，水位流量關(guān)系影響因素較多，主要受洪水漲落、斷面沖淤、葛洲壩水利樞紐調(diào)度、下游清江洪水頂托等因素影響，中高水水位流量關(guān)系呈逆時針繩套曲線，低水一般為單一線。近年來，隨著三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度趨于常態(tài)，宜昌站水位流量關(guān)系臨時曲線增多。宜昌站所在測驗河段見圖1。

2 目前的整編方法及存在的問題

圖1 宜昌站所在測驗河段示意

多年來，宜昌站一直按連時序法進行流量資料整編。2009年在開展測次精簡以后，實測流量年測次仍達(dá)80次之多，耗費了大量人力物力，測次優(yōu)化效果不明顯，同時因三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度帶來的影響對水位流量關(guān)系定線的難度增大。

主要難點包括：①漲落速度比較快，常出現(xiàn)連續(xù)十幾個小時上漲或者變幅3～4 m，難以掌握測次時機，有效流量測次仍無法滿足定線要求。②葛洲壩電站日調(diào)節(jié)非常頻繁且周期性強（周期約24 h）。通過實測資料顯示，宜昌站每日約06：00～18：00漲水，18：00～次日06：00退水，這也導(dǎo)致近幾年宜昌站實測流量主要分布在漲水面，產(chǎn)生汛期宜昌站與清江高壩洲站水量之和大于枝城站水量的不合理現(xiàn)象，且該現(xiàn)象還逐漸向非汛期拓展。

為摸清宜昌站水流特性新變化，2017年8月28日06：00～18：00宜昌站開展了斷波流量試驗[1]。葛洲壩電站連續(xù)加大下泄流量的同時，在宜昌站斷面采用走航式ADCP進行連續(xù)流量測驗，12 h內(nèi)施測流量81次，試驗期間水位從44.12 m漲至46.96 m，宜昌站按照常規(guī)測驗也布置了4個流量測次。試驗結(jié)束后，對兩種測驗方法形成的流量過程進行水量計算，連時序法時段徑流量為10.56億m3，連續(xù)測流法時段徑流量為10.12億m3，12 h兩者相差0.44億m3，水量相差較大，說明連時序法布點和整編對實際流量過程控制并不完全精確，同時也了解到水工程調(diào)度對該斷面流量過程的影響非常明顯（見圖2）。

圖2 斷波流量試驗與連時序法定線水位流量關(guān)系

綜上所述，在現(xiàn)有整編方法下，通過增加外業(yè)測驗測次并不能有效解決水位流量關(guān)系精度和上下游水量不合理的問題。因此，開展不同流量整編方法分析，提高宜昌站推流精度，減輕測驗工作強度很有必要。

3 不同流量整編方法應(yīng)用

落差指數(shù)法定線推流適用于受變動回水影響、測驗河段宜順直、河槽基本穩(wěn)定、落差具有代表性的測站；連時序法定線推流適用于受一種或多種因素影響的測站，應(yīng)具有較多的流量測次且能控制水位流量關(guān)系變化的轉(zhuǎn)折點；連實測流量過程線法適用于受多種因素影響流量、測點密集能滿足推算逐日流量和各項平均值的要求的測站。本文連實測流量過程線法采用兩種實測流量比較，即H-ADCP實時監(jiān)測數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)間隔為1 min）和葛洲壩出庫流量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)間隔為2 h）。

多年來，宜昌站一直按照連時序法定線要求布置外業(yè)測次并整編，單一線與繩套結(jié)合，部分時間段在單一線上推流，其他時間段按照繩套曲線推流。近年來，宜昌站分別開展了落差指數(shù)法、連實測流量過程線法（H-ADCP流量）、連實測流量過程線法（葛洲壩出庫流量）等整編方法，試圖通過不同測驗方式和整編方法來分析研究宜昌站流量變化情況，為下一步改進測驗方式，提高流量整編精度奠定基礎(chǔ)。本文用其他3種方法與連時序法整編成果對照分析，以尋求更優(yōu)的宜昌站流量整編方案。

3.1 落差指數(shù)法

2012年，宜昌站就采用綜合落差指數(shù)法開展水位流量關(guān)系單值化研究，2016年又在原有分析基礎(chǔ)上進行了下游輔助站的調(diào)整。在目前的單值化方案中，上游輔助站為葛洲壩8號水位站，下游輔助站考慮了清江入?yún)R，選擇清江入?yún)R長江處上游3 km的楊家咀站水位與枝城站水位組合建立下游綜合輔助站[2]。

具體方案如下：

式中，Z3為宜昌下輔站水位，m；Z2為枝城站水位，m；Z4為楊家咀站水位，m；R1、R2為綜合落差系數(shù)，分別取0.854、0.146；q為校正流量，m3/s；Qm為實測流量，m3/s；Z0為宜昌水文站水位，m；Z1為葛洲壩8號站水位，m。

根據(jù)上述方案，建立2010～2018年水位-校正流量關(guān)系線，各年關(guān)系檢驗均合格，滿足相關(guān)的水文整編規(guī)范要求；能通過符號檢驗、適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗，系統(tǒng)誤差≤±2%，隨機不確定度≤±10%。

采用該單值化方案，對2010～2018年資料進行整編，并與連時序法建立的水位流量關(guān)系分別推流，年特征值統(tǒng)計見表1。

從表1可以看出，年徑流量相對誤差較小，符合SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》中“不同方法計算年徑流量相對誤差不超過±3%”要求[3]，方案適應(yīng)性較好。在斷面較為穩(wěn)定的情況下，宜昌站采用水位流量單值化方案進行流量整編和報汛是可行的，可節(jié)省大量人力物力；也可作為一種分析方法來校測現(xiàn)有流量測驗結(jié)果，解決流量測驗中的問題，分析水流特性變化，保證流量測驗與整編的精度。

3.2 連實測流量過程線法（H-ADCP流量）

H-ADCP在線流量監(jiān)測主要是通過收集數(shù)據(jù)，選取合適的單元層組合流速作為指標(biāo)流速，與常規(guī)測流得到的實測斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。在關(guān)系穩(wěn)定、精度較高情況下，以指標(biāo)流速推求斷面平均流速，再用斷面平均流速與斷面面積求得斷面流量，將斷面流量采用連實測流量過程線法進行整編[4]。

表1 落差指數(shù)法與連時序法年特征值誤差統(tǒng)計

考慮到近年來宜昌斷面較為穩(wěn)定，2016年宜昌站在斷面右岸安裝了一臺H-ADCP，經(jīng)過調(diào)試，2017年開始比測，到2018年底共收集了2017年3～10月、2018年3～7月共13個月有效數(shù)據(jù)。

從2017～2018年H-ADCP采集的數(shù)據(jù)中提取指標(biāo)流速與同時段常規(guī)測驗實測斷面平均流速建立線性關(guān)系（見表2），兩條線相關(guān)性均較好，系統(tǒng)誤差小于±2%，滿足規(guī)范要求。但由于存在個別測點相對誤差較大，隨機不確定度大于10%，超出規(guī)范要求。用線性關(guān)系公式計算流量過程線，采用連實測流量過程線法進行資料整編，得到的流量成果與連時序法整編流量成果比較（見表3）。由表3可知，2017～2018年H-ADCP月徑流量誤差均在±4%以內(nèi)，多月平均徑流量誤差為-1.6%。

表2 2017～2018年指標(biāo)流速與斷面流速定線參數(shù)

3.3 連實測流量過程線法（葛洲壩出庫流量）

采用葛洲壩出庫流量作為實測流量進行計算。葛洲壩出庫流量是根據(jù)葛洲壩水利樞紐運行調(diào)度情況，查算相應(yīng)的樞紐設(shè)計泄流曲線資料，按時段計算葛洲壩總的出、入庫流量，時段間隔一般為2 h，即計算12次/d葛洲壩出、入庫流量。將葛洲壩出庫流量采用連實測流量過程線法進行整編。

根據(jù)長江水利委員會水文局2016～2017年開展的葛洲壩泄流曲線現(xiàn)場率定試驗結(jié)果[1]，泄流曲線流量與宜昌站實測流量相對誤差在-5.8%～8.6%之間，平均相對誤差2.2%（查算泄流曲線偏大），關(guān)系線系統(tǒng)誤差為2.0%，隨機不確定度為7.3%，滿足相關(guān)規(guī)定的精度要求。

表3 2017～2018月徑流量誤差統(tǒng)計

分析2016年連時序法和水工建筑法計算的葛洲壩出庫流量過程線（見圖3），可知兩者流量過程非常吻合，能較好地反映流量各場次洪水漲落變化。當(dāng)葛洲壩出庫流量約小于16 000 m3/s時，宜昌站流量略大于葛洲壩出庫流量，反之則偏小。

選取2010～2018年葛洲壩出庫流量進行整編，并與連時序法整編數(shù)據(jù)進行比較，年平均徑流量相對誤差為-3.5%～-0.6%，略大于整編規(guī)范不超過3%的要求，最大流量相對誤差為-1.3%～4.5%，最小流量相對誤差為-10.7%～-3.2%，見表4。

將2010～2018年的連時序法計算的洪水摘錄表中的流量與葛洲壩出庫流量（采用直線內(nèi)插與連時序法時間同步）建立線性關(guān)系（見表5）。近9 a的線性關(guān)系相關(guān)性均在0.98以上，系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差滿足一類精度站水力因素法相關(guān)要求，定線三項誤差檢驗（適線檢驗、符號檢驗、偏離數(shù)值檢驗）均通過。綜合線見圖4。

表4 葛洲壩出庫流量與連時序法年特征值誤差統(tǒng)計

圖3 2016年宜昌站連時序法流量與葛洲壩出庫流量過程線比較

表5 2010～2018年葛洲壩出庫流量與連時序法流量定線公式參數(shù)

4 洪水過程分析

圖4 2010～2018年葛洲壩出庫流量與連時序法流量綜合關(guān)系線

為驗證落差指數(shù)法、H-ADCP流量過程線法、葛洲壩出庫流量3種方案推求洪水過程的可靠性。選擇2018年一場完整的洪水漲落過程04月24日00：00～06月12日00：00，水位變幅范圍為41.00～46.60 m。采用2018年連時序法洪水要素摘錄表中時段推流。其中，落差指數(shù)法、H-ADCP流量過程線法與連時序法同步，葛洲壩出庫流量原數(shù)據(jù)為固定間隔2 h流量數(shù)據(jù)，采用直線插補后時間與其他3種同步。洪水過程見圖5，計算的洪水摘錄流量與日平均流量誤差見表6。從圖5可以看出，4種方法推流變化過程較為吻合，最大流量均出現(xiàn)在5月25日，變化趨勢基本一致，無論是漲水面、落水面還是水位平穩(wěn)期，各變化特征基本能反映同場次洪水的特性。

表6中系統(tǒng)誤差統(tǒng)計結(jié)果顯示，落差指數(shù)法最小，H-ADCP流量過程線法次之，葛洲壩出庫流量最大。其中，落差指數(shù)法統(tǒng)計的系統(tǒng)誤差和隨機不確定度均滿足規(guī)范要求；H-ADCP流量過程線法系統(tǒng)誤差滿足要求，但隨機不確定度超限；葛洲壩出庫流量系統(tǒng)誤差與隨機不確定度均超出規(guī)范要求。

葛洲壩出庫流量與宜昌站流量測驗斷面距離6 km，傳播時間較短，斷波短距離影響不一致，使得洪水摘錄流量、日平均流量相對誤差較大，但年徑流量誤差較小，且流量過程比較相應(yīng)。

表6 3種整編方法與連時序法洪水過程誤差統(tǒng)計

H-ADCP在實時監(jiān)測過程中，存在個別測點相對誤差較大。從表6可以看出，H-ADCP實測流量過程線誤差最大。同時，H-ADCP收集的流量數(shù)據(jù)略低于其他方法，這種實際情況正好可以彌補宜昌站實測點主要集中在漲水面，18：00到次日06：00退水面實測流量測次不足，導(dǎo)致定線推流偏大的缺陷。

圖5 2018年04月24日～06月12日4種整編方法洪水過程對照

圖6 2018年年最大洪峰4種整編方法洪水過程線

5 與下游水量比較

將2014～2017年實測資料，用落差指數(shù)法、連實測流量過程線法（葛洲壩出庫流量）、連時序法整編計算的年徑流量，加上清江入?yún)R的高壩洲站年徑流量與枝城水文站年徑流量進行相對誤差計算（見圖7）。高壩洲站采用連實測流量過程線法（H-ADCP）整編推流，2014年前高壩洲站未采用H-ADCP實測數(shù)據(jù)整編，未采用2014年前資料。枝城站采用連時序法定線推流。

由圖7可看出，這4 a中，采用連時序法計算流量最大，其次是落差指數(shù)法、連實測流量過程線法（葛洲壩出庫流量），采用葛洲壩出庫流量推流基本能達(dá)到水量平衡。從表1、表4流量特征值統(tǒng)計中也可看出，近9 a來，落差指數(shù)法、葛洲壩出庫流量法計算年徑流量幾乎全部小于連時序法計算結(jié)果，具體原因還需結(jié)合工程調(diào)度引起的斷波流量在近壩段影響開展深入分析。

圖7 不同整編方法在宜昌至枝城河段水量比較

6 結(jié)論與建議

落差指數(shù)法、連實測流量過程線法（H-ADCP在線監(jiān)測流量）、連實測流量過程線法（葛洲壩出庫流量）與連時序法進行比較，流量過程較為一致，流量特征值誤差較小。

落差指數(shù)法建立的水位－校正流量關(guān)系可基本滿足現(xiàn)行水文整編規(guī)范要求，如投產(chǎn)使用，流量測次可以從目前的80次減至30～50次，大幅度減少了勞動強度。

由于目前收集的H-ADCP在線監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，還需結(jié)合今后收集到的完整年系列數(shù)據(jù)開展進一步分析。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析H-ADCP監(jiān)測流量過程，峰谷略低于其他3種方法，在下一步工作中，可以考慮采用H-ADCP實測數(shù)據(jù)彌補實測流量在18：00～06：00退水面上測次不足的缺陷。

采用連實測流量過程線法（葛洲壩出庫流量）計算葛洲壩出庫年徑流量，誤差基本滿足規(guī)范要求，近年來與宜昌站日平均流量線性關(guān)系相關(guān)性較好，而且，三性檢驗、系統(tǒng)誤差、隨機不確定度均滿足規(guī)范要求，可作為現(xiàn)有流量整編方法的一種補充。