水文測站受洪水漲落影響下的水位流量關(guān)系分析

【摘要】本文闡述了何為水文測站以及測站的水位流量關(guān)系，分析了水文測站受洪水漲落影響下的水位流量關(guān)系變化規(guī)律，分析了洪水漲落過程中各水力因素極值出現(xiàn)的順序。對水文測站在收集探索水文特征值在時間和沿河長和區(qū)域變化規(guī)律所需具有代表性的樣本資料以及各種下墊面條件下的產(chǎn)、匯流規(guī)律、徑流變化規(guī)律、以及水文分析計算具有參考作用。

【關(guān)鍵詞】水文測站洪水漲落影響分析

前言

水文測站是在河流上或流域內(nèi)設(shè)立的，按一定技術(shù)標(biāo)準經(jīng)常收集和提供水文要素的各種水文觀測現(xiàn)場的總稱。設(shè)在天然河道上的流量站，根據(jù)測站的控制面積分為：大河控制站、區(qū)域代表站和小河站。一個測站的水位流量關(guān)系是指基本水尺斷面處的水位與通過該斷面的流量之間的關(guān)系。有時由于各種條件的限制，測流斷面與基本水尺斷面不在同一處，相距較近時，一般不會影響水位流量關(guān)系的建立，相距較遠時，若中間無大支流匯入，兩斷面處的流量基本相等，則基本斷面處的水位與測流斷面的流量仍可建立關(guān)系。下面主要對水文測站受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系進行分析。

1、受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系分析

在洪水漲落過程中，由于洪水波傳播所引起的附加比降的不同，使斷面上的流量與同水位穩(wěn)定的流量相比產(chǎn)生有規(guī)律的增大或減少，反映在水位流量關(guān)系上，曲線呈逆時針的繩套曲線，這種因洪水漲落而產(chǎn)生的同水位下流量的增減稱作洪水漲落影響，因洪水漲落影響而形成的水位流量關(guān)系曲線稱為洪水繩套曲線。

2、洪水漲落影響下的流量計算

3、洪水繩套曲線的特征

3.1 洪水繩套曲線為一逆時針的繩套

洪水上漲時，其漲落率為正，附加比降為正，從（1-4）式中可知漲水的因數(shù)大于1，因此，其流量大于同水位的穩(wěn)定流流量。同理，落水的漲落率為負，其流量小于同水位的穩(wěn)定流流量。一次洪水漲落過程的水位流量關(guān)系曲線呈一逆時針的繩套曲線，如圖1-1中的水位流量關(guān)系曲線。

3.2 洪水繩套曲線上各水力因素極值的出現(xiàn)順序有一定規(guī)律

洪水漲落影響時各水力因素極值的出現(xiàn)順序依次為最大比降（最大漲率）、最大流速、最大流量、和最高水位反映在繩套曲線上，如圖1-1所示。

3.2.1 最大流量出現(xiàn)在最高水位之前

若取某一距離很小的河段AB，因洪水波在運動中發(fā)生展開與扭曲變形，使下游流量過程線變胖。漲水時上斷面A的流量大于B斷面的流量，退水時A斷面流量減小速度比B斷面要快。時刻將會有QA=QB，如圖1-2所示，此時aQ/aL=0。從不穩(wěn)定流的連續(xù)方程可知aQ/aL +aA/at=0 ，即在t時刻出現(xiàn)了最高水位，由于 t時處在退水段，所以最大流量已出現(xiàn)，即最大流量出現(xiàn)在最高水位之前。因圣維南方程組的連續(xù)方程是一個微分方程，因此河段間距是極小的。若AB間距過大，雖然也會有一時刻使QA=QB，由于aQ/aL0，故此時刻也不是最高水位出現(xiàn)的時刻。

3.2.2 最大流速出現(xiàn)在最大流量之前，

由Q=AV可得dQ/dt=VdA/dt +AdV/dt

當(dāng)出現(xiàn)最大流量時dQ/dt=0，由以上分析可知，此時最高水位尚未出現(xiàn)，還處于漲水階段即d/dt>0，在斷面穩(wěn)定的條件下，漲水過程中dA/dt>0。只有AdV/dt<0，才能滿足最大流量出現(xiàn)的條件，因A>0，故有dV/dt<0。說明當(dāng)最大流量出現(xiàn)時流速已跨越最大值而減小，即最大流速出現(xiàn)在最大流量之前。

3.2.3 最大比降出現(xiàn)在最大流速之前，由謝才公式可知

V=C，V2=C2S，對t求導(dǎo)數(shù)得

2V=dV/dt=C2 +C2S×d/dt，

最大流速出現(xiàn)時，dV/dt=0，則

C2 +C2S×d/dt=0。因S、均為正值，而最大流速時最高水位尚未出現(xiàn)，即水深變率d/dt>0。為滿足dV/dt=0的條件，必有<0，說明此時比降已跨過最大值在減小，即最大比降出現(xiàn)在最大流速之前。由S=Sc+1/U×Δz/Δt，對于順直河段Sc變化不大，洪水波速近似于常數(shù)，當(dāng)漲率最大時，水面比降也最大。因此，最大漲率也出現(xiàn)在最大流速之前。

綜上所述，在一次洪水漲落過程中各水力因素極值出現(xiàn)的順序依次為：最大比降（最大漲率）Smax，{（）max}，最大流速Vmax，最大流量Qmax，最高水位Zmax，反映在繩套曲線上如圖1-1所示。

3.2.4 洪水繩套曲線與水位過程線關(guān)系密切，洪水流量的大小與漲落率即水位過程線的斜率密切相關(guān)。在水位過程線較陡的時段中，通常漲落率較大，洪水繩套曲線偏離穩(wěn)定水位流量關(guān)系曲線的程度也較大。就同一測站的各次洪水而言，水位漲落急劇者所形成的繩套曲線較胖。在水位過程線上的各個峰、谷點，因其漲落率為0，故其流量與同水位下穩(wěn)定流的流量是一樣的。

3.2.5 復(fù)式繩套中后一個繩套較前一個繩套稍偏左方，我們一般把單次洪水所形成的繩套曲線稱作單式繩套曲線。若一次洪水上漲后尚未退完，另一次洪水又接踵而來，造成水位復(fù)漲形成連續(xù)洪峰，與此相應(yīng)的洪水繩套曲線通常稱為復(fù)式繩套曲線。

出現(xiàn)連續(xù)洪水時，由于河槽的調(diào)蓄作用，河谷雍水致使后到

的洪水的穩(wěn)定流比降變小。由Q=Qc，可知同水位穩(wěn)定流流量比前一次洪水時小，因此，復(fù)式繩套的后一繩套相對于前一個繩套位置偏左方，如圖1-3所示。

由于連續(xù)洪水的后一次洪水除受洪水漲落影響外，還受河槽量對測流斷面的比降產(chǎn)生影響。因此，有時對洪水漲落影響的連續(xù)洪水分析時作為對洪水漲落與變動回水的混合影響。

4、結(jié)語

水文測站受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系呈非穩(wěn)定關(guān)系，同水位下可以有相應(yīng)兩個以上的流量，這樣的水位流量關(guān)系稱為不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。受洪水漲落影響的測站，洪水時，由于洪水波產(chǎn)生附加比降的影響，洪水過程的流速與同水位下穩(wěn)定流時的流速相比，漲水流速增大，流量也增大，落水時則相反。在一次洪水過程中，水位面積關(guān)系點子分布為帶狀，水位流量、水位流速關(guān)系點子的分布相應(yīng)，漲水點偏右，落水點偏左，峰、谷點居中。若依時序連接各點，則形成以峰、谷點連線為軸線的逆時針繩套曲線。繩套的寬窄，由洪水特性所決定，一般孤立的洪峰形成單式繩套，連續(xù)的洪峰形成復(fù)式繩套，后到的洪峰繩套由于受河谷雍水影響略向左偏。

參考文獻：

[1] 水文資料整編規(guī)范SL247---2012，中國水利水電出版社 2012.12

[2] 水文信息采集與處理周忠遠舒大興河海大學(xué)出版社 2005.06

[3] 水文勘測工牛占黃河水利出版社 2011.12

[4] 工程水文學(xué)林益冬，孫保沭，林麗蓉河海大學(xué)出版社 2003.07

作者簡介：趙愛國（1974—）男工程師，本科，主要從事水文水資源勘測與分析方面的工作。