河道水位流量預(yù)報(bào)方法研究

梁成民

摘要： 本文結(jié)合河道水位水波的運(yùn)動(dòng)波近似值，建立了河道水位流量和水位預(yù)報(bào)方法。為河道的規(guī)劃設(shè)計(jì)和防洪調(diào)度提供了決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 河道水位流量預(yù)報(bào)方法變特征河長瓊斯公式

當(dāng)河道面臨洪水時(shí)，在預(yù)報(bào)中最為重要的水文要素便是水位和流量的預(yù)報(bào)。許多國家在現(xiàn)在河道的水位流量預(yù)報(bào)中都采用的是馬斯京根流量演算法，但是這種方法包括它的一些改進(jìn)方法都不能對水位進(jìn)行最準(zhǔn)確和有效的預(yù)報(bào)。一些傳統(tǒng)的預(yù)算方法是通過研究洪水的傳播問題來推斷河道下游的流量和水位，一旦出現(xiàn)了兩江交匯的情況，這種算法就變得很復(fù)雜。要想預(yù)報(bào)準(zhǔn)確有效的水位流量，就必須首先通過洪水來進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)客觀的數(shù)據(jù)來推算出河道水位和流量的變化規(guī)律，進(jìn)而對河道斷面處的流量和水位的不同的變化過程進(jìn)行預(yù)報(bào)。

一、河道水位流量關(guān)系

水位流量關(guān)系河渠中某斷面的流量與其水位之間的對應(yīng)狀態(tài)。這項(xiàng)關(guān)系要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牟煌髑闆r的多次實(shí)測流量和其相應(yīng)的水位來確定，通常用經(jīng)驗(yàn)曲線、經(jīng)驗(yàn)方程或表格等形式表達(dá)。它是由各種水力因素（如水面寬、斷面面積、水力比降、糙率等）決定的。水位流量關(guān)系有穩(wěn)定的，也有不穩(wěn)定的。流量測驗(yàn)技術(shù)比較復(fù)雜、耗資比較昂貴，難以連續(xù)進(jìn)行，而連續(xù)地觀讀水位則容易辦到，因此通常將連續(xù)的水位資料，通過水位流量關(guān)系推算、轉(zhuǎn)換為連續(xù)的流量資料，供水文計(jì)算或水文預(yù)報(bào)分析使用；有時(shí)也因某種需要，由流量通過水位流量關(guān)系反推水位，如河道防汛水位，閘壩電站下游水位等。所以，水位流量關(guān)系具有重要的實(shí)用意義。

1.穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。在較長時(shí)期內(nèi)，某斷面的實(shí)測流量與相應(yīng)水位的點(diǎn)據(jù)呈密集帶狀分布，可用一條單一曲線來表示。這就是穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。水位流量關(guān)系維持穩(wěn)定，必須具備下列條件之一：

（一）斷面面積、水力比降和糙率等水力因素在同一水位時(shí)，維持不變。

（二）在同一水位時(shí)，上述各因素雖有變動(dòng)，但其變動(dòng)對水位流量關(guān)系的影響可以互相補(bǔ)償。在這種條件下，同一個(gè)水位，就只有一個(gè)相應(yīng)的流量，水位流量關(guān)系就成為單一的曲線。水文測站斷面總是盡可能選擇在那些具備基本穩(wěn)定條件的地方，必要時(shí)，用人工鋪設(shè)固定河床或在斷面下游附近建造攔河低堰等方法來創(chuàng)造這種穩(wěn)定條件。應(yīng)用穩(wěn)定的水位流量關(guān)系對于編制逐日平均流量、洪水水文要素摘錄表和因工程設(shè)計(jì)或防汛需要推求各種水位或流量都十分方便。

2.不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。因受一種或幾種因素的影響，實(shí)測流量與相應(yīng)水位的點(diǎn)據(jù)不能呈密集帶狀分布，難以用一條單一曲線表示，同一水位（或流量）具有多個(gè)流量（或水位）與之對應(yīng)，這就是不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。引起這種水位流量關(guān)系變動(dòng)的因素有：

（一）河床沖淤，使同水位的斷面面積發(fā)生變化，影響流量，多沙河流沖淤嚴(yán)重，這種變化尤為劇烈；

（二）洪水漲落，漲水與落水階段，河道水面比降不同，流速不同導(dǎo)致同水位下流量不同，漲落急劇的河流，這種變化比較明顯；

（三）變動(dòng)回水，在河流的中下游，河渠水位受支流匯合、閘門啟閉、湖水頂托等影響，使水面比降發(fā)生變化，引起水位流量關(guān)系的不穩(wěn)定；

（四）結(jié)冰、水生植物等也能導(dǎo)致斷面面積和糙率等一些水力因素的變化而影響水位流量關(guān)系。

3.水位流量關(guān)系曲線的延長。如果因條件限制，不能測得最高、最低水位的相應(yīng)流量，在無實(shí)測流量的水位幅度內(nèi)，要對水位流量關(guān)系曲線作高低水的延長。對于高水，往往可以根據(jù)實(shí)測的、調(diào)查的、推估的比降和斷面等資料用水力學(xué)公式推算洪峰流量，用相應(yīng)水位點(diǎn)作為控制，進(jìn)行延長。對于低水，往往可以找出斷流水位，以該水位與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)作為控制，進(jìn)行延長。曲線延長是否恰當(dāng)，會(huì)直接影響最大最小流量洪枯水期徑流量等的正確確定，而這些重要數(shù)據(jù)有時(shí)關(guān)系到工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的規(guī)模和尺寸，因此在延長時(shí)，特別是在外延幅度較大時(shí)，必須十分慎重。

二、河道水位流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論

眾所周知，河流斷面上的各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的流速是不相同的，具體的流速分布情況被水利專家們稱為流速場。河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)也被稱為流速-面積法，就是測驗(yàn)出各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的流速分布情況，進(jìn)而將流速等直線圖繪制出來，然后通過計(jì)算兩相鄰等速線的均值乘以它們之間所夾的面積，并進(jìn)行累加，從而得到具體的河道流量。例如，一個(gè)地區(qū)如果海拔高度在2000米左右，該地區(qū)上有平原、盆地、高山、峽谷等地形，那么我們在進(jìn)行該地區(qū)的河道流量測驗(yàn)時(shí)就要充分考慮到地形因素，從而使得測驗(yàn)出來的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，一般都是通過河流的等高線來進(jìn)行測驗(yàn)，即首先測驗(yàn)出相同等高線之間的面積，然后沿著高程的增高而進(jìn)行累加，進(jìn)而除以整個(gè)地區(qū)的河流面積就可以得到準(zhǔn)確的河道流量。其用數(shù)學(xué)公式表達(dá)的話就是Q=V·A，即流量等于斷面平均流速乘以過水面積。當(dāng)然，在實(shí)際的河道流量測驗(yàn)中往往會(huì)受到很多因素的影響，對一個(gè)地區(qū)進(jìn)行全面的測驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，因此在實(shí)際工作中，測驗(yàn)技術(shù)人員往往是在斷面的同一起點(diǎn)距上沿著水深垂直方向測驗(yàn)n個(gè)點(diǎn)的流速，然后算出平均值，這就是在河道流量測驗(yàn)的經(jīng)典技術(shù)理論基礎(chǔ)上延伸出來的垂線平均流速測驗(yàn)法，這種測驗(yàn)技術(shù)不僅克服了經(jīng)典技術(shù)理論過于理想化的缺點(diǎn)，更是有效地把一條垂線上本不相等的各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)流速變成了一條等速垂線，如此河道流量的測驗(yàn)效率就得到很大的提高。但是，無論是多么先進(jìn)的測驗(yàn)儀器，其測驗(yàn)出來的河道流量都只是“真值”或者說是相對真值，而不是完全精確的河道流量，其中是存在一定的誤差的。

三、河流水位預(yù)報(bào)的新方法

1.水位與流量關(guān)系單值化擬合

在分析河道每日的水位、流量等資料時(shí)，可以知道水位流量的擬合關(guān)系式。

2.不同的流量及預(yù)報(bào)時(shí)間流量變化的確定

通過之前水位和流量的關(guān)系式，可以計(jì)算出第二天的日均流量，并能計(jì)算出兩日均流量的差值與比值。通過點(diǎn)繪法，就可以得出日均流量與比值之間的關(guān)系，以及其關(guān)系點(diǎn)的平均線、上包線和下包線。

3.流量的變化引起水位變化的計(jì)算

通過利用上包線、平均線和下包線，就可以粗略的估算出第二天河道的流量，進(jìn)而計(jì)算出由于流量的變化而引起水位變化的數(shù)值。

4.通過上下站的水位關(guān)系來確定下站的可能水位

因?yàn)榈诙焖豢赡軙?huì)發(fā)生變化，因此使用點(diǎn)繪法來監(jiān)測水位之間關(guān)系的方法，來確定水位由于流量的變化而引起變化的水位值，從而可以得到三個(gè)第二天可能出現(xiàn)的水位值。

5.預(yù)報(bào)水位計(jì)算

通過這三個(gè)可能的水位可以計(jì)算出三個(gè)可能的流量，從而可以計(jì)算得出第二天的三個(gè)預(yù)報(bào)水位。

6.第二天實(shí)際水位和流量的輸入

在第二天實(shí)際觀察測量水位和流量之后，就可以提供第三天水位預(yù)報(bào)的可能值。預(yù)報(bào)計(jì)算即通過重復(fù)以上的六個(gè)步驟。但是在實(shí)際預(yù)報(bào)中，只需要按照第二至第六步的步驟來進(jìn)行計(jì)算即可。因?yàn)榈谝徊娇梢酝ㄟ^已經(jīng)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合就能得到，就能得到預(yù)測水位。同時(shí)，如果不進(jìn)行第六步的計(jì)算，直接用第二日的平均預(yù)測水位來預(yù)報(bào)第三日的水位，那么誤差就會(huì)相對較大。

四、結(jié)束語

本文介紹了新的水位預(yù)報(bào)方法，依據(jù)當(dāng)天流量、水位可預(yù)報(bào)本站第二天水位，誤差基本小于1.0m。如按一般水位流量預(yù)報(bào)計(jì)算，復(fù)雜的江湖關(guān)系給計(jì)算帶來極大的困難，需要引入更多的水流條件和河道形態(tài)數(shù)據(jù)，它為河道規(guī)劃提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，也為河道的防洪減災(zāi)工作提供了決策依據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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