枯水期蘆苞(二)水文站實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)研究

龍悅敏

(廣東省水文局清遠(yuǎn)水文分局，廣東 清遠(yuǎn) 511500)

0 引言

北江是廣東最重要、最復(fù)雜的河流之一，自北向南流經(jīng)廣東省6個(gè)地級(jí)市36個(gè)縣(市、區(qū))，支流眾多，集水面積在1000 km2以上的一級(jí)支流有10條，因此給北江流域的河長制、湖長制管理帶來很大的難度和復(fù)雜性。

枯水期水量對(duì)河湖水質(zhì)及突發(fā)水環(huán)境事件的及時(shí)應(yīng)對(duì)有重要意義，但位于北江干流的蘆苞(二)站缺少流量監(jiān)測(cè)，為進(jìn)一步提升水文服務(wù)河長制基礎(chǔ)保障能力，需要建立蘆苞站的實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)方案。

1 水文站概況

1.1 蘆苞(二)站

蘆苞(二)水位站位于北江干流，靠近佛山市三水區(qū)蘆苞水閘，集水面積約為39200 km2?？菟跁r(shí)蘆苞水位(珠江基面)通常在0.0 m～2.0 m間波動(dòng)，受潮水的嚴(yán)重頂托，每天的水位過程都有明顯的兩個(gè)高潮和低潮，由于低水位時(shí)水位流量對(duì)應(yīng)關(guān)系差，且在目前的水文技術(shù)條件下，很難通過常規(guī)的水文方法測(cè)量得到實(shí)時(shí)流量，因而需要通過其他技術(shù)手段獲取蘆苞斷面實(shí)時(shí)流量。

1.2 石角站

石角水文站位于清遠(yuǎn)市清城區(qū)石角鎮(zhèn)，集水面積38363 km2，是北江流域總控制站。石角站常規(guī)的流量測(cè)驗(yàn)方法為在線自動(dòng)測(cè)流與走航式ADCP(聲學(xué)多普勒流速剖面儀)測(cè)流相結(jié)合，流量低于6000 m3/s時(shí)采用在線自動(dòng)測(cè)流，測(cè)量間隔為1 h；流量高于6000 m3/s時(shí)則用走航式ADCP測(cè)流。石角站平均每年流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)在70次左右。

石角站流量在6000 m3/s及以上時(shí)，水位流量關(guān)系較好，可以通過查水位流量關(guān)系曲線獲得實(shí)時(shí)流量；流量在6000 m3/s以下時(shí)，可以通過在線自動(dòng)測(cè)流設(shè)備獲得實(shí)時(shí)流量。

1.3 研究路線

石角-蘆苞區(qū)間河長約24 km，石角站與蘆苞(二)站集雨面積相差約840 km2，兩站集水面積差占石角站集雨面積的2.2%，占蘆苞(二)站集雨面積的2.1%，區(qū)間內(nèi)只有漫水河一條主要支流。

根據(jù)區(qū)間水量平衡原理，石角流量與漫水河流量之和為蘆苞流量。劉中峰[1]等人在研究蘆苞涌分流量變化時(shí)，對(duì)石角站、蘆苞站1953年7月～1962年12月同步監(jiān)測(cè)的逐日水位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩站點(diǎn)水位變化規(guī)律一致，具有較好的相關(guān)性，可由石角水位得到蘆苞水位。因此，在確定旁側(cè)入流的影響后，可通過水位相應(yīng)法分析石角-蘆苞區(qū)間水流傳播時(shí)間，若無法忽略旁側(cè)入流，則在后續(xù)分析中需考慮旁側(cè)入流對(duì)干流河段的水流傳播時(shí)間的阻滯和分流作用，最后確定石角逐時(shí)流量與蘆苞逐時(shí)流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 漫水河流量

漫水河作為石角斷面下游匯入北江的主要支流，干流長75 km，集水面積為775 km2，河流平均坡降為2.68‰。通過查找歷史水文資料，查得漫水河流域多年平均年降雨量為1970.4 mm，多年平均年徑流深為1188.3 mm，徑流系數(shù)為0.6。

由于漫水河缺少逐時(shí)流量資料，故通過已有資料數(shù)據(jù)計(jì)算得漫水河多年平均徑流量和多年平均流量，漫水河、石角的多年平均流量之間的比例見表1。

表1 漫水河和石角多年平均流量對(duì)比表

結(jié)果表明，漫水河流量占石角流量比例平均約2.2%，石角站與蘆苞(二)站集水面積差占石角站集雨面積的2.2%，占蘆苞(二)站集雨面積的2.1%，與漫水河流量占石角流量的比例接近，因此將以石角逐時(shí)流量的2.2%作為漫水河逐時(shí)流量，同時(shí)由于漫水河匯流比例較小，平均坡降小，漫水河對(duì)干流水流傳播的阻滯作用可忽略，因此，僅考慮轉(zhuǎn)換流量時(shí)加入漫水河旁側(cè)入流量。

3 水流傳播時(shí)間

相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，相關(guān)程度越高，r值越接近1。定義式為：

(1)

將蘆苞(二)站和石角站2018年～2020年的逐時(shí)水位時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，兩時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)約為0.967，相關(guān)程度很高，與劉中峰等人根據(jù)1953年～1962年數(shù)據(jù)系列分析的結(jié)果一致。

相應(yīng)水位[2]是指河段上下站同位相的水位，用相應(yīng)水位法分析水流傳播時(shí)間，即分析下游站出現(xiàn)與上游站同位相的水位所需的傳播時(shí)間。以石角站為上游站，蘆苞(二)站為下游站，利用相應(yīng)水位法估算石角站到蘆苞(二)站的水流傳播時(shí)間。

水的流動(dòng)依靠水位落差實(shí)現(xiàn)，石角與蘆苞之間的水位落差受洪水、潮水頂托等作用存在較大差異，通過將石角與蘆苞的水位落差分級(jí)，分別統(tǒng)計(jì)在不同級(jí)別水位落差情況下，各水流傳播時(shí)間出現(xiàn)的頻次，其中，當(dāng)水位差為負(fù)值時(shí)，蘆苞水位高于石角水位；當(dāng)傳播時(shí)間為負(fù)值時(shí)，蘆苞峰值出現(xiàn)時(shí)間比石角早。

將水位落差分級(jí)與傳播時(shí)間進(jìn)行比較，各級(jí)水位落差下不同水流傳播時(shí)間出現(xiàn)的次數(shù)結(jié)果表明，水位差集中在±0.2 m范圍內(nèi)，水流傳播時(shí)間集中在±1 h和0 h，且以0 h和-1 h為主，此時(shí)，石角水位與蘆苞水位落差略小，水流多為從蘆苞倒流至石角；當(dāng)水位差增大，水流傳播時(shí)間擴(kuò)大到±3 h甚至5 h。

對(duì)比兩站降雨與水位序列發(fā)現(xiàn)，水位差的增大與由降雨引起的洪水有關(guān)，而由于蘆苞水位受西、北江洪水影響，若西江洪水占優(yōu)，西江洪水通過下游思賢滘分流到北江干流，蘆苞水位壅高；若北江洪水占優(yōu)，北江洪水通過下游思賢滘分流到西江干流，加快洪水的宣泄，蘆苞水位加速下降，導(dǎo)致蘆苞水位峰值出現(xiàn)時(shí)間延后或提前，因此水流傳播時(shí)間存在大于1 h的情況。

綜合石角、蘆苞水位及各級(jí)水位差情況下水流傳播的情況，枯水期石角、蘆苞水位多在1 m～2 m間波動(dòng)，且水位落差多在0 m～0.2 m之間，在該水位落差區(qū)間內(nèi)，水流傳播時(shí)間以0 h和-1 h為主，因此，枯水期時(shí)石角-蘆苞區(qū)間水流傳播時(shí)間取-0.5 h，負(fù)號(hào)代表水流方向從蘆苞流向石角。

4 流量轉(zhuǎn)換

基于區(qū)間水量平衡原理，蘆苞流量為石角流量與漫水河流量之和，其中，漫水河流量為石角流量的2.2%；通過相應(yīng)水位法分析石角-蘆苞區(qū)間水流傳播時(shí)間，可將石角流量轉(zhuǎn)換為蘆苞流量，考慮石角流量數(shù)據(jù)是每小時(shí)讀取，因此，石角流量與蘆苞流量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(2)

5 結(jié)語

本文基于對(duì)水流傳播時(shí)間的分析，以相應(yīng)水位法將上游石角水文站流量轉(zhuǎn)換為下游受潮汐影響而難以準(zhǔn)確測(cè)量流量的蘆苞水文站的流量。在水流傳播的分析中，潮汐通過頂托上游來水進(jìn)而影響水流傳播的方向及時(shí)間，在技術(shù)手段不斷完備的將來，如何排除潮汐對(duì)近海水文站流量測(cè)量的影響，是水文測(cè)量技術(shù)未來發(fā)展的方向。