落差指數(shù)法在受上下游水利工程影響的水文站中的應(yīng)用
——以黃家港水文站為例

李平 李凱 趙學(xué)軍 連雷雷

(長(zhǎng)江委水文局漢江水文水資源勘測(cè)局,湖北 襄陽(yáng) 441021)

·礦業(yè)與水利工程·

落差指數(shù)法在受上下游水利工程影響的水文站中的應(yīng)用
——以黃家港水文站為例

李平 李凱 趙學(xué)軍 連雷雷

(長(zhǎng)江委水文局漢江水文水資源勘測(cè)局,湖北 襄陽(yáng) 441021)

本文通過(guò)2013、2014年實(shí)測(cè)水文資料,采用落差指數(shù)法來(lái)推算黃家港站徑流要素情況,從而達(dá)到解決受上下游水利工程影響的水文站推流問(wèn)題。

水文站;水利工程影響;流量;落差指數(shù)法

黃家港水文站始建于1953年,控制面積95 217km2,多年平均流量1 200m3,為國(guó)家基本站,是一類精度的水文站和一類精度的泥沙站,為丹江口水庫(kù)運(yùn)行、漢江中下游防洪預(yù)報(bào)和清水沖刷泥沙研究服務(wù)。2014年南水北調(diào)中線丹江口水庫(kù)向北方供水,黃家港站流量資料對(duì)調(diào)水決策有極大影響。

自黃家港站設(shè)立至1958年,其水位流量受洪水影響而漲落。隨著水利工程的興建、調(diào)度運(yùn)作,1968年該站上游6km建成大型水利樞紐工程——丹江口水電站,來(lái)水受上游水庫(kù)發(fā)電、泄洪控制影響；下游31km王甫洲水利工程2002年建成蓄水,黃家港站測(cè)驗(yàn)斷面受下游水庫(kù)變動(dòng)回水影響,是典型的受上下游水利工程影響的水文測(cè)站,加之下游水庫(kù)蓄水使黃家港測(cè)驗(yàn)河段水位抬高、流速減緩、水體富營(yíng)養(yǎng)化,引起水位～流量關(guān)系變化的因素多,水位～流量關(guān)系復(fù)雜。水文測(cè)站通過(guò)加密流量監(jiān)測(cè)頻次來(lái)控制水位～流量變化,但投入人力、物力極大,如何發(fā)揮水文站網(wǎng)群功能,通過(guò)水力因素分析提高測(cè)報(bào)精度、解放生產(chǎn)力、提高工作效率、減少經(jīng)費(fèi)支出,運(yùn)用落差指數(shù)法進(jìn)行黃家港站徑流分析計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。

1 落差指數(shù)法的基本原理

水文資料整編(4.10)中規(guī)定,受變動(dòng)回水影響的測(cè)站,可采用落差指數(shù)法定線推流。采用落差指數(shù)法的測(cè)站河段宜順直,河槽宜基本穩(wěn)定,且落差應(yīng)具有代表性［1］。定線推流應(yīng)采用以下方法：

假定同水位不同落差的流量符合下式：

Q1/(ΔZ1β)=Q2/(ΔZ2β)=q

式中Q1、Q2——同水位不同落差的流量；

ΔZ1、ΔZ2——與Q1、Q2相應(yīng)的落差；

β——落差指數(shù)；

q——流量與落差β次方之比(或稱校正流量因數(shù))。

其推流模型的主要流程如下：

(a)優(yōu)選落差指數(shù)β,其變化范圍為0.2～0.8,在此區(qū)間內(nèi),可以采用試錯(cuò)法或優(yōu)選法,以定出的Z—q關(guān)系曲線,通過(guò)適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、反曲檢查且不確定度最小時(shí)的β為最優(yōu)β值。

(b)確定Z—q關(guān)系曲線,根據(jù)優(yōu)選的β值所定的Z—q關(guān)系曲線,定線精度符合單一曲線的定線要求,即為推求流量采用的曲線。

(c)根據(jù)落差參證站的水位計(jì)算的落差ΔZ和優(yōu)選的β值,用本站水位推得q值,與相應(yīng)的△Zβ的乘積即為推求的流量。

2 黃家港站落差指數(shù)法應(yīng)用情況

黃家港站測(cè)驗(yàn)河段順直,經(jīng)丹江口水庫(kù)多年沖刷,測(cè)驗(yàn)斷面較穩(wěn)定,且在丹江口水庫(kù)以下王甫洲水電區(qū)間布設(shè)有多處水位觀測(cè)站點(diǎn),進(jìn)行落差指數(shù)法推流計(jì)算分析具備《水文資料整編規(guī)范》的基本要求［2］。

2.1 黃家港站水位參證站選擇

在黃家港站上游5km布設(shè)有王家營(yíng)水位站,下游3km布設(shè)有沈?yàn)乘徽尽＝?jīng)分析王家營(yíng)與黃家港站水位落差在0.35～1.2m,黃家港～沈?yàn)痴舅宦洳钤?.05～0.4m之間,可以作為落差計(jì)算參證站,現(xiàn)假定王家營(yíng)、沈?yàn)痴緸辄S家港站相對(duì)應(yīng)的水位參證站(比降觀測(cè)點(diǎn))。

圖1 黃家港站落差指數(shù)法水位參證站

2.2 水位參證站資料的采用

王家營(yíng)、黃家港、沈?yàn)尘捎瞄L(zhǎng)期水位自記儀器記錄水位,但王家營(yíng)水位站距丹江口水庫(kù)下游僅1km,距大壩太近,對(duì)大壩發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)異常敏感、受開(kāi)閘泄洪期間波浪影響大,部分時(shí)段水位呈明顯的鋸齒狀,黃家港、沈?yàn)痴揪嗟そ谒畮?kù)相對(duì)較遠(yuǎn),洪水在傳播河段坦化,波浪較小,考慮到上下游數(shù)據(jù)同步,分析數(shù)據(jù)采用適時(shí)水位數(shù)據(jù)經(jīng)摘錄后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3 落差指數(shù)法分析

在黃家港站水位摘錄后水位線上,用時(shí)間內(nèi)插法推求出王家營(yíng)、沈?yàn)痴緦?duì)應(yīng)時(shí)間的水位,計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間黃家港站～王家營(yíng)站、黃家港站～沈?yàn)痴镜乃宦洳?同時(shí)考慮黃家港站流量測(cè)驗(yàn)時(shí)段水位變化情況,加以權(quán)重,計(jì)算出綜合落差［3］。

將黃家港站2013、2014年實(shí)測(cè)流量通過(guò)上述落差方程Q1/(ΔZ1β)=Q2/(ΔZ2β)=q計(jì)算,得出與落差△Z次方之比,由此可得到一系列的校正流量因數(shù)q,將其同相應(yīng)的水位在坐標(biāo)格網(wǎng)紙上展點(diǎn),得到Z～q關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)擬合曲線的檢驗(yàn)及隨機(jī)不確定度的計(jì)算,進(jìn)行試錯(cuò)法,求得最優(yōu)β值參數(shù)。

3 落差指數(shù)法推流計(jì)算

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)選,在黃家港站β值取0.46時(shí),王家營(yíng)和沈?yàn)陈洳顧?quán)重β分別為0.26和0.74時(shí),數(shù)據(jù)線性程度最好,離散最小。統(tǒng)計(jì)得到,推算流量值與實(shí)測(cè)值之間系統(tǒng)誤差0.02,隨機(jī)不確定度7.35%。

將上述落差指數(shù)應(yīng)用于南方片資料整編程序進(jìn)行整編計(jì)算,同黃家港站臨時(shí)曲線法推流整編結(jié)果相比較如下圖2。

圖2 推流整編結(jié)果以2013年為例

年徑流量,臨時(shí)曲線法為267.1億m3,落差指數(shù)法為265.1億m3,誤差一0.7%。

4 結(jié)語(yǔ)

受水利工程影響的水文站采用落差指數(shù)法進(jìn)行流量資料的推算,可以達(dá)到一定的精度,但對(duì)于像黃家港站這樣流量精度高的測(cè)站,現(xiàn)階段不能滿足生產(chǎn)需要。多收集資料,合理取用相關(guān)參數(shù),可作為輔助推流分析使用。

表1 2013年月平均流量統(tǒng)計(jì)表

表2 2013年月最大值流量統(tǒng)計(jì)表

表3 2013年月最小值流量統(tǒng)計(jì)表

對(duì)黃家港站用該法時(shí)的精度主要取決于公式中相關(guān)參數(shù)的選取。

影響相關(guān)參數(shù)確定的因素主要有落差計(jì)算,采用的水位曲線摘錄法,對(duì)于天然河流,采取擬合走中線法是否恰當(dāng)?shù)?但對(duì)于受變動(dòng)回水影響的測(cè)站,部分時(shí)間的水位波動(dòng),應(yīng)為河流水體的真實(shí)反映,若采取中線法摘錄,對(duì)落差的計(jì)算精度會(huì)存在一定的影響。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.SL247一2012水文資料整編規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社.

［2］中華人民共和國(guó)水利部.GB50179一93河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社.

［3］中華人民共和國(guó)水利部.GB/T50138一2010水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社.

APPlication of GaP Index Method in Hydrological Station Influenced by UPstream And Downstream Water Conservancy Projects——Taking the Hangjiagang Hydrological Station As an Example

Li PingLi KaiZhao XuejunLian Leilei
(Han River Hydrological and Water Resources Survey Bureauofthe Yangtze River Hydrological Bureau,Xiangyang Hubei 441021)

This paper,according to the measured hydrological data in2013 and 2014,calculatedthe condition of runoff factors at Huangjiagang station by gap index method,so as to solve the hydrological station plug flow problem affected by upstream and downstream water conservancy projects.

hydrological station;effect of water conservancy project;flow;gapindex method

P333

A

1003一5168(2015)07一0070一3