基于葛洲壩出庫流量的宜昌站流量整編方法

胡焰鵬 胡名匯 樊云

摘要：因受水利工程影響，工程附近上下游的水文站水位-流量關(guān)系散亂，導(dǎo)致流量整編較為困難，且實(shí)際中對大型水利工程多樣泄流建筑物逐一進(jìn)行流量系數(shù)率定的可能性低。通過綜合評估葛洲壩出庫流量精度，建立葛洲壩出庫流量與其下游6 km宜昌水文站實(shí)測流量間的流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系，從而推算宜昌水文站流量過程。分析其與宜昌水文站現(xiàn)有整編成果之間的誤差，優(yōu)選方案實(shí)現(xiàn)宜昌水文站流量整編，流量整編精度滿足SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》要求。該方法對受水利工程影響下的水文站流量整編具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：流量整編;流量系數(shù);水利工程影響;宜昌水文站

宜昌水文站始建于1877年4月，為基本水文資料收集、長江中下游防汛抗旱、水資源管理和葛洲壩及三峽水利樞紐工程建設(shè)和運(yùn)行服務(wù)，是控制長江中游干流基本水情的基本水文站。宜昌站測站控制總體屬長河槽控制，水位流量關(guān)系主要以繩套線性和綜合單一線性為主。河段上游相繼建成了葛洲壩和三峽水利樞紐工程，受兩個工程聯(lián)合調(diào)度影響，上游泥沙補(bǔ)給大幅減少，近壩下游河段沖刷下切，水位-流量關(guān)系線線型基本不變，但同流量下中枯水位下降，枯水期呈綜合單一線，豐水期呈現(xiàn)繩套狀[1-2]。目前沿用連時序法、臨時曲線法進(jìn)行流量整編，多年整編的年徑流量與上下游水文站比對存在差異，但精度基本滿足SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）要求。

總體上，三峽水庫調(diào)度呈現(xiàn)為年調(diào)度特征，葛洲壩水庫調(diào)度呈典型日調(diào)節(jié)。有限的流量測次對有效控制葛洲壩水庫日調(diào)節(jié)帶來的每一水位-流量變化過程而言，難度太大，即流量觀測時機(jī)把握不好[3]，可能影響年水位-流量關(guān)系線定線精度。宜昌水文站位于葛洲壩水利樞紐下游約6 km，河段基本順直，其間沒有支流入?yún)R，也沒有區(qū)間分流。理論上，宜昌水文站流量與葛洲壩出庫流量應(yīng)該一致或具有密切相關(guān)性，可確認(rèn)葛洲壩出庫流量精度，再利用其進(jìn)行宜昌水文站流量整編。

1 相關(guān)關(guān)系推求

探討受水工程影響水文站的流量整編方法，可通過建立水工程出庫流量與水文站實(shí)測流量的相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行[4-5]。分析宜昌水文站2010～2018年實(shí)測流量與同期葛洲壩出庫流量間相關(guān)關(guān)系的適應(yīng)性與精度，以確定由葛洲壩出庫流量推算宜昌水文站流量過程的相關(guān)系數(shù)，探討基于葛洲壩出庫流量過程推算宜昌水文站整編流量的方法與精度。

1.1 宜昌水文站實(shí)測流量

2010～2018年宜昌水文站共施測流量708次。各年流量施測次數(shù)，2015年最少（57次），2017年最多（98次）。其中，實(shí)測最大流量為46 800 m3/s（相應(yīng)水位52.67 m），最小流量為5 310 m3/s（相應(yīng)水位39.36 m）。

測驗(yàn)方法有ADCP走航式、流速儀11/22、流速儀10/20或流速儀24/120等。渡河方式為船測、吊船纜道。

1.2 葛洲壩出庫流量

葛洲壩水利樞紐主要泄流設(shè)施由發(fā)電機(jī)組、二江泄水閘、大江泄洪沖沙閘和三江沖沙閘組成。大江電站裝機(jī)14臺，二江電站裝機(jī)8臺（含0號機(jī)組），電站裝機(jī)容量為2 735 MW。自2005年起，葛洲壩電站單機(jī)額定容量125 MW的機(jī)組（19臺）逐步實(shí)施更新改造增容至單機(jī)額定容量150 MW，改造全部完成后，電站總裝機(jī)容量為3 210 MW。

根據(jù)葛洲壩水利樞紐運(yùn)行調(diào)度情況，查算相應(yīng)的樞紐設(shè)計泄流曲線資料，按時段計算葛洲壩總的出、入庫流量，時段間隔一般為2 h，即每天計算12次葛洲壩出、入庫流量。

出庫流量=全廠發(fā)電流量+機(jī)組空轉(zhuǎn)過流量+大江沖沙閘泄流量+三江沖沙閘泄流量+二江泄水閘泄流量+大江排沙底孔泄流量 +大江排沙洞泄流量+大江排漂孔泄流量+二江排沙底孔泄流量 +小機(jī)組發(fā)電流量。

受主客觀條件限制，按SL 537-2011《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》要求，難以全面實(shí)現(xiàn)對葛洲壩組成部分逐個率定流量系數(shù)，流量系數(shù)只能針對葛洲壩總出庫流量綜合率定。根據(jù)長江水利委員會水文局2016～2017年開展的葛洲壩泄流曲線現(xiàn)場率定試驗(yàn)結(jié)果[6]，其相對誤差在-5.8%～8.6%之間，平均相對誤差2.2%（查算泄流曲線偏大），關(guān)系線系統(tǒng)誤差為2.0%，隨機(jī)不確定度為7.3%，滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的精度要求。

1.3 流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系

根據(jù)水量平衡原理：

根據(jù)宜昌水文站每次流量測驗(yàn)的平均時間，分別采用了直線內(nèi)插法、一元三點(diǎn)插值法、樣條插值法。從葛洲壩出庫流量過程（每天12次）插補(bǔ)出對應(yīng)時間的出庫流量數(shù)據(jù)，與宜昌水文站實(shí)測流量建立相關(guān)關(guān)系，包括綜合相關(guān)線、當(dāng)年測點(diǎn)相關(guān)線。再優(yōu)選定線參數(shù)，使其滿足《規(guī)范》規(guī)定的定線3種檢驗(yàn)指標(biāo)。

（1）多年綜合關(guān)系線。采用直線內(nèi)插法、一元三點(diǎn)插值法、樣條插值法率定，適線檢驗(yàn)、符號檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)3種方式的定線檢驗(yàn)及誤差統(tǒng)計結(jié)果均滿足要求。直線內(nèi)插法率定關(guān)系見圖1。

（2）當(dāng)年測點(diǎn)相關(guān)線。分別采用直線內(nèi)插法、一元三點(diǎn)插值法推求各年的率定關(guān)系，并進(jìn)行誤差統(tǒng)計，采用直線內(nèi)插法的統(tǒng)計結(jié)果見表1。

（3）定線結(jié)果。在以上計算結(jié)果中，不論是多年綜合線，還是當(dāng)年測點(diǎn)定線，適線檢驗(yàn)、符號檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)3種方式的定線檢驗(yàn)結(jié)果均合格，滿足規(guī)范要求[7]。

從數(shù)據(jù)分析可知：各種定線的系統(tǒng)誤差都滿足±2%范圍要求[7-8];除2017年當(dāng)年線（一元三點(diǎn)插值法）的標(biāo)準(zhǔn)差大于5%外，其他各種方法均滿足隨機(jī)不確定度小于10%（標(biāo)準(zhǔn)差小于5%）的要求。

2 流量整編

流量整編計算采用水文資料整編系統(tǒng)SHDP（2.0版）。根據(jù)已建立的流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系，由葛洲壩出庫流量過程推算出宜昌水文站流量過程，采用連實(shí)測流量過程線法，整編宜昌水文站流量，推求宜昌水文站逐日流量、各種徑流特征值等成果，與宜昌水文站原有流量整編方法推算的成果進(jìn)行比較，統(tǒng)計、分析誤差等。

水流沙原始數(shù)據(jù)文件借用宜昌水文站各年的原有數(shù)據(jù)，只是將數(shù)據(jù)文件中各年的流量整編方法、推流節(jié)點(diǎn)，由原有的一元三點(diǎn)插值法、水位流量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別替換為對應(yīng)的連實(shí)測流量過程線法、時間流量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，再分別進(jìn)行水流沙整編計算，生成不同整編方法的流量整編成果，最后統(tǒng)計誤差情況。

在分析中采用了6種流量過程推算方法進(jìn)行試整編，詳見表2。

（1）年徑流量。分別采用不同流量整編方法推算各年的年徑流量，與宜昌水文站原有流量整編數(shù)據(jù)的相對誤差比較情況見圖2。

圖2表明，只有直接采用葛洲壩出庫流量方法的推算結(jié)果存在年徑流量誤差超過±3%的情況，其他方法都滿足誤差在±3%范圍的要求[7]，可作為流量整編方法使用。

（2）部分年特征值。在各年數(shù)據(jù)中，選年徑流量較小、居中、較大的2011年、2015年、2018年數(shù)據(jù)推算年最大流量、時段洪量，其與宜昌水文站原有流量整編數(shù)據(jù)的比較情況見表3。部分年份直接采用葛洲壩出庫流量整編成果的特征值與宜昌站連時序流量整編的特征值超限。

綜合上述分析，與宜昌站連時序流量整編成果比對，除部分年份直接采用葛洲壩出庫流量的整編成果不滿足流量規(guī)范要求外，其余整編成果均滿足相關(guān)規(guī)范要求。其中，利用當(dāng)年-直線相關(guān)數(shù)量系數(shù)法整編的流量最佳。

3 結(jié) 論

（1）建立葛洲壩出庫流量與宜昌水文站實(shí)測流量的各種組合流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系，均滿足《規(guī)范》[7]規(guī)定的適線檢驗(yàn)、符號檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)3種定線檢驗(yàn)指標(biāo);各種組合的定線系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度基本都滿足《規(guī)范》[7]《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》[8]規(guī)定的一類精度水文站定線精度要求。

（2）由葛洲壩出庫流量過程推算宜昌水文站流量過程，分別采用連實(shí)測流量過程線法定線推流，推算的年徑流量與宜昌水文站原流量整編方案的相對誤差在±3%范圍內(nèi)，滿足《規(guī)范》[7]要求，可作為流量整編方法使用。采用當(dāng)年線-直線內(nèi)插法的方法作為宜昌水文站流量整編方案更優(yōu)?？紤]以最少的測驗(yàn)成本獲得滿足規(guī)范要求的整編成果，優(yōu)先采用綜合線、直線內(nèi)插法流量系數(shù)方案，每年只需校測部分測次，進(jìn)行學(xué)生氏t檢驗(yàn)，滿足要求即可繼續(xù)采用綜合線進(jìn)行流量整編。建立的葛洲壩出庫流量與宜昌水文站實(shí)測流量的流量系數(shù)相關(guān)關(guān)系也可用作流量測驗(yàn)、流量報汛、流量過程分析合理性檢查。

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[7] SL 247-2012 水文資料整編規(guī)范[S].

[8] SL 537-2011 水工建筑物與堰槽測流規(guī)范[S].

（編輯：唐湘茜）