基于水位后移法的下巴溝水文站水位流量單值化分析研究

李曉勝

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 蘭州 730000)

1 背景資料

1.1 自然地理

洮河是黃河流域較大的支流之一，發(fā)源于青海省海南藏族自治州西傾山東麓，于甘肅省永靖縣匯入黃河干流。洮河全程長(zhǎng)673.1km，比降0.27%～0.36%，流域面積達(dá)2.55萬(wàn)km2。洮河河源與河口落差2630m，蘊(yùn)藏有豐富的水能資源[1]。洮河多年平均徑流量為53億m3，在黃河眾多支流中，其年均來(lái)水量?jī)H次于渭河，居于第二位。

洮河流域降水量空間分布不均，受海拔、氣象等因素的影響，洮河流域年降水量在300～600mm范圍內(nèi)波動(dòng)變化。洮河流域年降水量在年內(nèi)分布上的差異也較為明顯，突出表現(xiàn)為5—10月(夏、秋)氣溫高、降水多，且以7月份為最大[2]，而以1—12月份的降水量為最小。洮河徑流過程季節(jié)變化線與降水呈相似規(guī)律，但峰值相對(duì)降雨稍顯滯后，以7—10月為豐水期，11月開始銳減，12月—次年2月為枯水期，3—6月份則水量逐漸增多。流域豐水期徑流量約占全年徑流總量的56%。

1.2 水文測(cè)站概況

下巴溝水文站是國(guó)家重要水文測(cè)站，建站于1960年1月，位于東經(jīng)103°01′、北緯34°42′。該水文站是洮河重要控制站，對(duì)收集洮河流域水雨情信息和流域防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮著不可替代的作用。

1.3 水文測(cè)站斷面情況

下巴溝水文站測(cè)驗(yàn)河段控制較好，上下游河道呈“S”型狀，斷面較穩(wěn)定?；舅邤嗝嫔嫌?km里處，建有安果水電站，最大引水流量96.0m3/s。下巴溝水文站控制斷面于每年4月和9月分別測(cè)有斷面詳細(xì)高程數(shù)據(jù)。以每年兩次測(cè)得的數(shù)據(jù)均值作為當(dāng)年斷面形狀，得到2010—2017年年斷面套圖，如圖1所示，據(jù)此可知，下巴溝水文站測(cè)驗(yàn)段河道斷面相對(duì)穩(wěn)定。平均河底高程與歷年變化線(如圖2所示)同時(shí)顯示，下巴溝水文站斷面高程受沖淤等影響不大，沖淤交替進(jìn)行，保證了控制斷面良好的一致性。穩(wěn)定的河床斷面有利于該水文站控制斷面水位-流量單值化分析研究的開展。

圖1 下巴溝水文站2010—2017年斷面套圖

圖2 下巴溝水文站2010—2017年斷面平均河底高程與逐年變化線的關(guān)系

1.4 單值化分析的必要性與可行性

傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方式必須通過大量測(cè)次的水文測(cè)驗(yàn)來(lái)掌握水位流量中的復(fù)式繩套變化，以滿足現(xiàn)行人工整編或電算整編的要求，因此導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)次數(shù)既難以精簡(jiǎn)，又不能停測(cè)或者改流量站為水位站。傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方式已與現(xiàn)代水文工作的高效要求相違背[3]。

水位-流量單值化分析工作，將大幅減輕水文測(cè)驗(yàn)工作的頻次和強(qiáng)度，顯著提高工作效率。這既可優(yōu)化外業(yè)測(cè)量的實(shí)施，又可以提升測(cè)量成果質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)以人為本、科學(xué)發(fā)展的管理模式[4- 5]。這將極大地推進(jìn)下巴溝水文站的現(xiàn)代化進(jìn)程和信息化程度。

下巴溝水文站建立于1960年1月，已采取駐測(cè)測(cè)驗(yàn)方式不間斷收集58年以來(lái)的逐日水文資料，并在連續(xù)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，完成了本流域的基本水文特征數(shù)據(jù)收集工作。該站控制斷面經(jīng)多年觀測(cè)和大洪水考驗(yàn)，斷面基本穩(wěn)定；其水位流量關(guān)系亦符合SL 195—97《水文巡測(cè)規(guī)范》[6]等有關(guān)單值化分析資料的相關(guān)要求。因此，洮河下巴溝水文站水位-流量關(guān)系單值化分析是可行的。

2 水位流量關(guān)系單值化分析

2.1 資料選取

此次水位流量關(guān)系單值化分析采用下巴溝水文站2010—2017年共8年的逐日水位流量資料。數(shù)據(jù)的測(cè)驗(yàn)方法均嚴(yán)格按照GB 50179—93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》[7]的相關(guān)要求進(jìn)行收集，資料的可靠性、一致性、代表性均良好。選取下巴溝水文站上下游相鄰測(cè)站作為輔助站，兩者距下巴溝水文站分別為13km和22km。

2.2 分析方法選取

現(xiàn)行水位-流量關(guān)系單值化分析方法較為常用的有組合因子法[8]、落差指數(shù)法[9]等?？紤]到目前下巴溝水文站測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)穩(wěn)定，水位-流量關(guān)系主要受洪水漲落和下游回水頂托的影響，利用下巴溝河段現(xiàn)有的水文站網(wǎng)資料，最終采用綜合落差指數(shù)法[10]開展水位-流量關(guān)系單值化研究。

綜合落差指數(shù)法計(jì)算水位-流量關(guān)系的公式為：

(1)

式中，q—校正流量，m3/s；Qm—實(shí)測(cè)流量，m3/s；ΔZm—綜合落差，m；α—落差指數(shù)。

ΔZm考慮了上游洪水漲落與下游回水頂托的綜合影響，可將其分解為：

ΔZm=km1·ΔZm1+km2·ΔZm2

(2)

式中，ΔZm1—上游輔助水尺至本斷面的落差，m；ΔZm2—本斷面到下游輔助水尺的落差，m；km1—上游輔助水尺至本斷面的落差系數(shù)；km2—本斷面到下游輔助水尺的落差系數(shù)。

整理得出綜合落差指數(shù)法計(jì)算水位-流量關(guān)系的公式為：

q=Qm/(km1·ΔZm1+km2·ΔZm2)α

(3)

2.3 落差系數(shù)及其確定

落差指數(shù)初選值按照取α=0.5，km1、km2的初選值取測(cè)站上游輔助水尺至下巴溝水文站基本水尺之間的距離占上下游輔助水尺之間總距離的比值，即km1=13/35=0.371，km2=22/35=0.629。采用試錯(cuò)法，通過MATLAB編程計(jì)算，確定最終km1、km2取值。方法為首先固定α=0.5不變，依據(jù)方差或標(biāo)準(zhǔn)差最小的原則，然后按合適的計(jì)算步長(zhǎng)不斷調(diào)整km1、km2的值，并將其代入式(3)中計(jì)算實(shí)測(cè)流量對(duì)應(yīng)的校正流量，分別繪制水位-校正流量關(guān)系曲線。根據(jù)適線情況反復(fù)調(diào)整參數(shù)，直到各年水位-校正流量關(guān)系曲線有較好的線型分布，且呈單一曲線關(guān)系。各年曲線通過符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，最終取值為：km1=0.354，km2=0.646，α=0.63。

由此計(jì)算所得的下巴溝水文站水位-校正流量關(guān)系公式為：

q=Qm/(0.354ΔZm1+0.646ΔZm2)0.63

(4)

2.4 水位后移時(shí)間確定

水位后移法是以本站推后一個(gè)時(shí)段的水位和原時(shí)刻的流量做為一組數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪水位流量關(guān)系線，而其他時(shí)段為通過水位流量測(cè)點(diǎn)的若干條單一的水位流量關(guān)系線，且測(cè)點(diǎn)后移一個(gè)時(shí)段后所繪制的水位流量關(guān)系線在水位流量關(guān)系圖上反映為與原關(guān)系線平行的一條曲線，即將形成的單值化曲線平移，形成新的曲線，確定水位-流量之間的關(guān)系[11]。為確定出合理的后移時(shí)間，本文分別選擇后移時(shí)間為0、50、100、150、200min，分別計(jì)算水位-流量關(guān)系，確定下巴溝水文站最佳水位后移時(shí)間。

3 成果檢驗(yàn)

3.1 歷年水位流量演變

選取2010—2017年下巴溝水文站水位-流量數(shù)據(jù)，并點(diǎn)繪歷年水位-流量關(guān)系圖。由圖3可知，2012—2014年水位-流量曲線呈現(xiàn)逐年左移的趨勢(shì)，原因在于水文站上游附近違法占用河道現(xiàn)象嚴(yán)重，使河道收束。經(jīng)2014年底整治后，恢復(fù)河道原貌。但由于氣候原因，2010—2013年的水位-流量關(guān)系曲線均呈現(xiàn)單一關(guān)系曲線，而2014—2017年均出現(xiàn)2條臨時(shí)低水曲線。

3.2 水位-流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)

根據(jù)SL 195—97要求，采用2010—2017年實(shí)測(cè)流量中2011、2013、2017年分別作為豐、平、枯三個(gè)代表年份進(jìn)行單值化分析，利用綜合線進(jìn)行流量推定，并推算年徑流總量、汛期總量和一次洪水總量，與原有整編成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。結(jié)果顯示：按照綜合落差指數(shù)法推算所得結(jié)果，各時(shí)段徑流量在豐水年較原整編方法稍大，而在枯水年則稍小于原整編成果；但通過該方法法得出的下巴溝水文站水位-流量單值化分析成果的精度，符合SL 195—97相關(guān)要求。

圖3 下巴溝水文站歷年水位-流量關(guān)系圖

3.3 水位后移時(shí)間確定

分別取不同后移時(shí)間，根據(jù)單值化分析法計(jì)算2011、2013、2017年的流量，結(jié)果見表2—表4。由表中可以看出，不同年份不同水位后移時(shí)間對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在2011年隨著后移時(shí)間的增加，計(jì)算精度呈先提高后降低的趨勢(shì)，在后移時(shí)間為100min時(shí)，計(jì)算精度最高，計(jì)算誤差為0.40%～0.47%，較未作處理時(shí)精度大幅度提高；在2013年和2017年的計(jì)算結(jié)果與2011年基本一致，在后移時(shí)間為100min時(shí)，流量計(jì)算精度最高。表明在單值化處理的基礎(chǔ)上，將水位時(shí)間后移100min，可得出精度最高的模擬流量。

表1 下巴溝水文站各時(shí)段推算徑流量及其誤差分析表

表2 2011年不同后移時(shí)間單值化分析結(jié)果

表3 2013年不同后移時(shí)間單值化分析結(jié)果

表4 2017年不同后移時(shí)間單值化分析結(jié)果

4 結(jié)論

利用下巴溝河段現(xiàn)有的站網(wǎng)水位流量資料，采用綜合落差指數(shù)法開展水位流量關(guān)系單值化研究，綜合各方面因素得出下巴溝水文站水位-流量單值關(guān)系公式。該公式的計(jì)算可大幅度簡(jiǎn)化流量計(jì)算步驟，提高計(jì)算精度，對(duì)水位-流量關(guān)系建立有著重要的指導(dǎo)意義。同時(shí)分別計(jì)算不同水位后移時(shí)間對(duì)計(jì)算流量的影響，可得出在后移時(shí)間為100min時(shí)可大幅度提高單值化分析的計(jì)算精度，但本研究?jī)H計(jì)算了50、100、150、200min時(shí)的流量，在今后的研究中，應(yīng)更加細(xì)化水位后移時(shí)間段劃分，可更精確地明確后移時(shí)間，為流量計(jì)算提供依據(jù)。