淺論某站年極值的水位～流量相關(guān)關(guān)系

安利群 喬萬(wàn)亮

（1、黑龍江省綏化水文水資源中心蘭西站,黑龍江 蘭西151500 2、黑龍江省綏化水文水資源中心 綏化勘測(cè)隊(duì),黑龍江 綏化152050）

1 概述

水文站是收集水文信息數(shù)據(jù)最直接的地方,也是開(kāi)展水文觀測(cè)和測(cè)驗(yàn)最直接的場(chǎng)所。在水文測(cè)驗(yàn)中,年特征值中的年最高水位和年最大流量是兩個(gè)重要的水文要素,是防汛、抗旱、除澇等水務(wù)工作的重要依據(jù)和參考。根據(jù)水文站積累的大量水文特征值數(shù)據(jù),特別是這兩個(gè)重要的水文要素在水文和水務(wù)上的作用,開(kāi)展該方面研究十分必要且具有重要意義和價(jià)值。例如在水文預(yù)報(bào)中的水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)的使用最為普遍,尤其是特征值的各種相關(guān)關(guān)系規(guī)律和特點(diǎn),作預(yù)報(bào)更是離不開(kāi)這些要素及其之間的各種關(guān)系曲線(xiàn)。水文測(cè)驗(yàn)的水位、流量測(cè)量如何控制測(cè)次抓到峰、谷等要素變化轉(zhuǎn)折點(diǎn),對(duì)于提高測(cè)驗(yàn)精度和質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。水文資料整編的高低水延長(zhǎng),特別是高水的延長(zhǎng),確定高水流量,尤其年最大流量的確定等等更是關(guān)系密切。

建立年最高水位與年最大流量相關(guān)關(guān)系,根據(jù)曲線(xiàn)變化規(guī)律和特點(diǎn),為水文預(yù)報(bào)、資料整編、水文測(cè)驗(yàn)以及其他方面提供一個(gè)有效的方法和技術(shù)途徑。

2 關(guān)系原理

根據(jù)某站逐年的年最高水位與年最大流量數(shù)據(jù),建立二要素間的相關(guān)關(guān)系,以下給出年最高水位與年最大流量的相關(guān)曲線(xiàn)的函數(shù)關(guān)系公式：

式中：Qy,max——某年最大流量/m3/s；Zy,max——某年最高水位/m。

由于年最高水位和年最大流量是兩個(gè)獨(dú)立的水文數(shù)據(jù)系列,就某一年來(lái)說(shuō),年最高水位與年最大流量不一定是對(duì)應(yīng)的,有的年份水位流量呈繩套曲線(xiàn),年最大流量與年最高水位不是對(duì)應(yīng)的,有的年份水位流量呈單一曲線(xiàn)是對(duì)應(yīng)的。該文是利用多年的特征值建立其對(duì)應(yīng)關(guān)系,所以每年只有一個(gè)年最高水位與年最大流量,構(gòu)建其相關(guān)關(guān)系為一一對(duì)應(yīng)（如表1）。

構(gòu)造曲線(xiàn)模型的原則：一是線(xiàn)型遵照普通的水位流量關(guān)系單一曲線(xiàn)或臨時(shí)曲線(xiàn)特點(diǎn)的變化；二是多年可看作是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,也可看作是某些年份是一個(gè)連續(xù)變化過(guò)程。曲線(xiàn)呈現(xiàn)某些年份是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)期的單一線(xiàn),我們也稱(chēng)其為臨時(shí)曲線(xiàn)。按《水文資料整編規(guī)范》要求定線(xiàn),多年的曲線(xiàn)線(xiàn)型以曲線(xiàn)族的形式出現(xiàn)。

表1 某站歷年最值水位流量定線(xiàn)誤差表

3 曲線(xiàn)的建立及特點(diǎn)

3.1 曲線(xiàn)的建立

選擇某水文站1953 年至2019 年的水位和流量年特征值資料（見(jiàn)表1）,該站水文斷面位置未進(jìn)行遷移過(guò),資料系列具有可靠的一致性和完整性及其連續(xù)性。該站是東北地區(qū)某大河水文站,集水面積兩萬(wàn)七千多平方公里,多年平均徑流量三十多億立方米。一年分為暢流期和冰期兩個(gè)時(shí)段,暢流期主要集中在4 月中旬至10 月下旬,其余時(shí)間為冰期。一般情況,枯水期出現(xiàn)在5月至6 月初之間,豐水期出現(xiàn)在6 月至9 月間,水量最大時(shí)多集中在8 月份。該站處于河流的下游,屬下游把口站,一年四季水量豐沛。

根據(jù)資料系列提取每年的年最高水位和年最大流量數(shù)值,以逐年的年最高水位為縱坐標(biāo)和年最大流量為橫坐標(biāo)建立二者相關(guān)關(guān)系并繪制曲線(xiàn)（如圖1）。

圖1 年最高水位與年最大流量相關(guān)關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 特點(diǎn)

多年年最高水位變幅在104.39m 至109.57m 之間,年最大流量變幅在50.4m3/s 至5100m3/s 之間。點(diǎn)子密度分布不均勻,總的趨勢(shì)是上下兩頭分布稀少,中間分布密集。水位106.00m 以下點(diǎn)子占總數(shù)的17.9%,水位108.50m 以上點(diǎn)子占總數(shù)的11.9%,中間部分占總數(shù)的76.2%。也就是說(shuō),在多年的情況下,發(fā)生年最高水偏高的幾率很小,同樣發(fā)生年最高水偏低的幾率也很小,只有中間部分發(fā)生幾率很高,這就是該站年極值水位～流量關(guān)系點(diǎn)帶分布規(guī)律的特點(diǎn)。

根據(jù)點(diǎn)帶分布規(guī)律性,大體上可定出5 段大線(xiàn)分別依時(shí)間先后順序命名為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5,第一段線(xiàn)L1 使用年份是1953 年至1976 年包括2007 年在內(nèi)共25 年,是使用時(shí)間最長(zhǎng)的一段；第二段線(xiàn)L2 使用年份1977 年至1987 年包括2001 年和2019 年在內(nèi)共13 年；第三段線(xiàn)L3 使用年份1988 年到2000年共13 年；第四段線(xiàn)L4 使用年份2002 年到2006 年包括2009年至2010 年在內(nèi)共7 年；第五段線(xiàn)L5 使用年份2012 年到2018 年共7 年。

另外,2008 年、2011 年關(guān)系點(diǎn)極其偏左,可能受特殊的因素影響所致,這里從略。

曲線(xiàn)特點(diǎn)是上下兩頭部分曲線(xiàn)窄而少,中間部分寬而多。曲線(xiàn)線(xiàn)型是左凸右凹,具有典型的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)的基本特點(diǎn)。五條曲線(xiàn)依時(shí)間先后順序從左向右分布排列,每條曲線(xiàn)使用時(shí)間有長(zhǎng)有短,根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)情況看,具有越來(lái)越短的趨勢(shì)變化,曲線(xiàn)隨著不同時(shí)期有逐漸向右移動(dòng)的趨勢(shì),也就是同水位下流量呈現(xiàn)隨不同時(shí)期逐漸加大的趨勢(shì)變化特點(diǎn)。

4 主要影響因素

人類(lèi)活動(dòng)影響如水庫(kù)、堤壩、渠道、提水站等水利工程的建設(shè),耕地改造、開(kāi)荒和森林砍伐,公路、橋梁修建,建筑采砂,工業(yè)發(fā)展用水的增大等。自然因素影響如河流的演變、河床的沖刷、地質(zhì)變化、氣象環(huán)境溫度改變等等。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某站多年年最高水位與年最大流量相關(guān)關(guān)系的建立,發(fā)現(xiàn)其年際間變化規(guī)律和表現(xiàn)出的獨(dú)自特點(diǎn),中間部分呈現(xiàn)出曲線(xiàn)逐漸向右側(cè)移動(dòng)的最大特征,可能是受自然條件和社會(huì)發(fā)展因素等影響導(dǎo)致的。根據(jù)某站主要五條曲線(xiàn)使用時(shí)間的長(zhǎng)短數(shù)據(jù)分析,隨著時(shí)間推移曲線(xiàn)使用時(shí)間越來(lái)越短,可能由于人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快影響越來(lái)越突出。從20 世紀(jì)90年代以來(lái),該河段采砂越來(lái)越嚴(yán)重,這就加大了斷面或河段河床平均高程在逐漸下降,由斷面加大導(dǎo)致同水位下流量增大；同時(shí)受疏浚河道裁彎取直等水利工程治理方面的作用和影響,使得流速增大同樣也導(dǎo)致同水位下流量增大。這種現(xiàn)象在曲線(xiàn)中間部分表現(xiàn)尤其突出,而在上下兩端表現(xiàn)并不大,這是因?yàn)楫?dāng)高水發(fā)生時(shí),河水越過(guò)河漫灘水流阻力比重加大造成的,水位較低時(shí)河槽加深和河底采砂不平等因素影響,同樣也表現(xiàn)不出太大變化。

另外,該曲線(xiàn)可在水文資料整編的高水延長(zhǎng)、水文預(yù)報(bào)推求流量、歷史洪水推求等方面有廣泛的重要應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)為防汛決策收集更高質(zhì)量的水文數(shù)據(jù)信息創(chuàng)建了一個(gè)新的方法和使用工具。