呼蘭河法在冰期水文資料整編中的應(yīng)用

喬萬亮

（黑龍江省綏化水文局秦家水文站，黑龍江 綏化 152050）

呼蘭河法在冰期水文資料整編中的應(yīng)用

喬萬亮

（黑龍江省綏化水文局秦家水文站，黑龍江 綏化 152050）

呼蘭河法是筆者新創(chuàng)建的一種冰期水文資料整編方法，文中以呼蘭河秦家（二）站為例，簡(jiǎn)要分析整編模型的構(gòu)建及方法步驟，并進(jìn)行了成果分析比較，目的是探究這些要素間關(guān)系的特點(diǎn)和變化規(guī)律。

冰期；呼蘭河法；水文資料整編

在高寒地區(qū)，河流有較長的冰期，水文資料整編通常采用實(shí)測(cè)流量過程線法和K值過程線法2種。這要求具有足夠多的流量測(cè)次，控制其流量的變化過程。事實(shí)上，因?yàn)檫^程線變化復(fù)雜，波動(dòng)性大，不像相關(guān)線那樣規(guī)律性強(qiáng)，所以控制流量變化過程很難，尤其是峰、谷的延長。為此，需要尋找相關(guān)法整編。

1 影響流量最直接最敏感的要素

一般地，河流冰期按穩(wěn)定性大體劃分為初冰、秋季流冰、封凍和春季流冰幾個(gè)時(shí)期。不同時(shí)期影響要素不同，如初冰期與暢流期沒什么大差別；流冰期受流冰影響，較暢流期同水位下流量偏小。這兩個(gè)時(shí)期主要影響流量的要素仍然是水位。封凍期主要影響流量的要素還是水位，但水浸冰厚隨著氣溫的變化而突顯出來，也成為主要影響要素之一。河流本身水流主要反映在水位上；環(huán)境影響主要是氣溫，這又集中表現(xiàn)在水浸冰厚要素；河床邊界條件反映河段及斷面組成成分及其形狀上。因此，就某一河流的某一河段或斷面具體條件而言，影響該斷面流量最直接最敏感的是水位和水浸冰厚兩要素。也就是說，當(dāng)水位發(fā)生變化就會(huì)引起相應(yīng)的流量隨之變化，當(dāng)水浸冰厚發(fā)生變化也會(huì)引起流量的相應(yīng)的變化。

2 構(gòu)建模型

由以上影響流量最直接最敏感的兩要素可知：一般地，當(dāng)其他條件不變時(shí)，水位增高或降低，流量隨之增大或減??；同樣，當(dāng)其他條件不變時(shí)，水浸冰厚增大或減小，流量也隨之減小或增大。所以給出以下函數(shù)公式：

Q=f（Z－h(huán)） （1）

式中：Q——流量，m3/s；Z——水位 （或稱自由 水位），m；h——斷面平均水浸冰厚，m。

Q 與 Z－h(huán) 的變化關(guān)系：當(dāng)增大時(shí)，增大；當(dāng)（Z－h(huán)） 減小時(shí)，Q 減小。這說明函數(shù)大體上是正比關(guān)系。這里令：

Zy=Z-h （2）

式中：Zy 被定義為斷面平均有效水位（此文所涉及的該名詞均簡(jiǎn)稱為“有效水位”），它等于相應(yīng)水位（指的是自由水位）與斷面平均水浸冰厚的差。

由式（1），（2）合并，則

Q=f（Zy） （3）

這個(gè)函數(shù)與暢流期水位流量關(guān)系相似，故而將該方法稱作冰期有效水位流量關(guān)系曲線法；或稱為冰期三關(guān)線整編方法；若整個(gè)冰期并非單一線，而各時(shí)段呈單一線，也可以稱作冰期臨時(shí)曲線法。筆者通過呼蘭河某站水文資料首先發(fā)現(xiàn)這一冰期水文基本規(guī)律，為此，同時(shí)也把應(yīng)用這一規(guī)律的水文資料整編方法稱作呼蘭河法。

3 整編方法步驟

收集一個(gè)完整冰期過程的原始實(shí)測(cè)流量記載計(jì)算成果和實(shí)測(cè)流量成果表，冰情、水浸冰厚，瞬時(shí)水位等水文資料。通過斷面水浸冰厚資料點(diǎn)繪過程線，推求對(duì)應(yīng)逐日的斷面平均水浸冰厚值。

計(jì)算相應(yīng)瞬時(shí)水位各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的有效水位。計(jì)算冰期每次實(shí)測(cè)流量相應(yīng)的斷面平均水浸冰厚和有效水位。

繪制冰期三關(guān)線，即繪制有效水位與斷面流量、斷面面積及斷面平均流速關(guān)系線。按暢流期三關(guān)線定線標(biāo)準(zhǔn)要求，做好絞線、三檢、標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度的計(jì)算。

推流，計(jì)算整個(gè)冰期逐日平均流量和整個(gè)冰期的徑流總量

4 實(shí)例

4.1 測(cè)站概況

秦家（二）站位于呼蘭河中游，斷面至河口距離為 250 km，呼蘭河是松花江左岸一級(jí)支流，河長 515 km，中、下游是屬平原性河流。秦家站主槽冬季一般有效水面寬為 100 m 左右，集水面積9 842 km2。

通過數(shù)據(jù)計(jì)算，繪制有效水位與流量、面積、流速三關(guān)線，見圖 1。

圖1 有效水位~流量關(guān)系曲線圖

4.2 關(guān)系線特點(diǎn)及成因分析

有效水位～流量關(guān)系線特點(diǎn)：冰期的初期和后期流量明顯處于偏右，而中期表現(xiàn)偏左，這是因?yàn)闀沉髌谂c冰期過渡階段，因而流量偏大：而中期這時(shí)水浸冰厚處于最大時(shí)段，所以流量偏小。其中 12月 15日實(shí)測(cè)流量偏大的原因是水位明顯上漲導(dǎo)致的結(jié)果。

有效水位～面積關(guān)系線特點(diǎn)：斷面位置不同，12 月 15 日實(shí)測(cè)流量前是一個(gè)斷面，之后又是另一個(gè)斷面，大體上是兩個(gè)。

有效水位～流速關(guān)系線特點(diǎn)：開始進(jìn)入冰期時(shí)流速很大，但接著流速急劇減小，而中、后期流速逐漸增大。開始是與暢流期一樣的原因，接著減小原因是由于冰的初期冰底不平阻力增大致使流速迅速減小，隨著冰厚加大冰底平緩阻力減小，另外斷面面積逐漸減小，進(jìn)而促使流速增大。

5 成果比較

5.1 綜合過程線

全圖包括水位、有效水位、流量過程線，見圖2。可以看出，當(dāng)兩端流量增大時(shí)，與水位或有效水位的相應(yīng)變化，而冰期中間部分，由于流量較小，只要通過局部放大就能看清有效水位與所推得的流量變化的相應(yīng)關(guān)系，說明流量與有效水位變化十分吻合。

圖2 水位、有效水位、流量過程線圖

5.2 比 較

與該站冰期K值過程線法計(jì)算的成果（正式成果）比較：冰期時(shí)間 2011 年 11 月 13 日至 2012年 4 月 19 日，計(jì)算的徑流量為 0.811 3×104m3，而正式成果值為 0.843 6×104m3，占正式成果值誤差為-3.8%。逐日流量比較：2011 年 12 月 6 日平均流量偏小誤差為-51.0%，2012 年 4 月 13 日平均流量偏大誤差達(dá) 122%。由于兩實(shí)測(cè)點(diǎn)之間的局部地帶控制出現(xiàn)了偏頗。因此，是 K 值過程線法本身缺陷造成局部個(gè)別地方誤差很突出的根本原因。

6 結(jié)語

通過秦家水文站冰期水文資料定線研究，與暢流期相比，雖然冰期受到天氣氣溫等環(huán)境因素的影響，但是這些因素也都體現(xiàn)在結(jié)冰上。就某河段或斷面來說，主要集中反映在斷面平均水浸冰厚這一水文要素上。通過建立有效水位流量關(guān)系曲線，根據(jù)資料分析，要素間的理論函數(shù)定量關(guān)系是存在的，初步判斷這是水文的一個(gè)基本規(guī)律。

呼蘭河法正是根據(jù)這一基本規(guī)律建立起來的一種冰期水文資料整編新方法。因?yàn)楸跀嗝嫫骄褡兓蔷徛?，通過實(shí)測(cè)流量測(cè)得的水浸冰厚數(shù)據(jù)就完全可以控制其變化過程，所以說有效水位是穩(wěn)定的，完全可以控制。這充分證明有效水位流量關(guān)系曲線具有穩(wěn)定性，且能夠合理地進(jìn)行峰谷和高低水延長。

該方法優(yōu)于現(xiàn)行的連實(shí)測(cè)流量過程線和K值過程線方法，因?yàn)檫@兩種過程線法不可能完全控制流量過程變化，且峰谷和高低水延長存在缺陷。通過比較：反映在所推流量誤差有的地方非常大，這是因?yàn)檫^程線法對(duì)水位和水浸冰厚局部發(fā)生變化控制上的脫節(jié)造成的，而本文提出的方法就無這種現(xiàn)象發(fā)生，并且嚴(yán)格按照有效水位的變化而變化的。

冰期水文資料整編實(shí)現(xiàn)了像暢流期一樣的方法標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而使得整編成果質(zhì)量達(dá)到相同精度，也就是說，暢流期和冰期水文資料整編方法和質(zhì)量達(dá)到了高度統(tǒng)一。除在水文資料整編中應(yīng)用外，對(duì)在水情預(yù)報(bào)、拍發(fā)流量電報(bào)等方面，都有著誤差小、質(zhì)量高的特點(diǎn)和操作上簡(jiǎn)便易行的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

［1］水利部長江水利委員會(huì)水文局.水文資料整編規(guī)范［S］.北京：水利水電出版社，2000.

P333

A

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2013-07-02