落差法推流在利民河閘水文站應(yīng)用初探

黃宏家 王昌平 金杰

1.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局 江蘇 鹽城 224051 2.揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225009

1 測站基本情況概述

利民河位于鹽城市射陽縣境內(nèi)，是江蘇省射陽縣南部的一條人工河道，由西至東流經(jīng)射陽縣長蕩鎮(zhèn)中心河、黃沙港鎮(zhèn)境內(nèi)利民河閘，于1955年開挖，后經(jīng)過多次進(jìn)行拓浚。如今河流全長42.5km，流域面積約524km2。河底寬度為7m～20m，河底高程為-1.5m～-2.0m，是射陽縣境內(nèi)新洋港以北、黃沙港以南區(qū)域的主要排澇河道。利民河閘水文站位于利民河下游射陽縣黃沙港鎮(zhèn)利民河閘，設(shè)立于1970年7月，是利民河出海口控制站，為國家二類精度水文站。其測驗(yàn)項(xiàng)目包括閘上水位、流量、降雨等。其流量測驗(yàn)斷面設(shè)于閘上游150m處，上游基本水尺設(shè)于閘上游130m處，上游2km處設(shè)有水位比測斷面。該站水文特征值見表1。

表1 利民河閘水文站水文特征值統(tǒng)計(jì)表

圖1 利民河閘水文站示意圖

2 利民河閘水位流量關(guān)系的影響因素研究

利民河閘水文站歷年使用水文測流纜道進(jìn)行流量測驗(yàn)，運(yùn)用一潮推流法定線推求全年流量。由于利民河在閘下3.3km處與黃沙港、運(yùn)棉河匯合，共用黃沙港入海水道出海，出水流量受黃沙港、運(yùn)棉河出水頂托影響較大，這些河流的張羅對利民河閘的水位流量有一定的影響，導(dǎo)致利民河閘水文站水位—流量關(guān)系不太穩(wěn)定，因此測流工作量較大，且定線誤差較大。

根據(jù)射陽縣南部流域的地理特征、水流特性，并通過計(jì)算分析利民河水閘水位與流量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)利民河閘中水位與流量關(guān)系的影響因素較為復(fù)雜，主要包括河道沖刷和淤積的變化、下游支流的回水頂托以及洪水發(fā)生時(shí)間等影響因素，另一方面，上游支流洪水的結(jié)構(gòu)特征以及江湖關(guān)系的演化等其他因素也對水位與流量關(guān)系變化具有著一定程度上的影響。

因此，采用什么方法推算水位流量至關(guān)重要，落差法因其特性，用于推算水位流量，有利于減少流量測次，提高推流精度。

3 落差法基本原理

與一般的校正因數(shù)法以及連時(shí)序法相比較而言，落差法更適用于受變動(dòng)回水干擾、測驗(yàn)河段比較順直、條件下河槽基礎(chǔ)穩(wěn)定、落差較大的測站。其中點(diǎn)對線的相對誤差及隨機(jī)不確定度均可符合現(xiàn)行《水文資料整編規(guī)范》的數(shù)據(jù)要求。并且點(diǎn)對點(diǎn)的相對誤差還可以控制在85%以上，滿足數(shù)據(jù)所要求的精度范圍。自20世紀(jì)70年代首次提出以來，數(shù)十年的研究和實(shí)踐表明，使用該方法可以大幅度提高計(jì)算結(jié)果的精確度和可靠性，并且在技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的實(shí)用性。

根據(jù)實(shí)測流量數(shù)據(jù)，結(jié)合水文資料整編規(guī)范中的規(guī)定，建立水位與流量之間的線性關(guān)系：Qc=aZ+b（式中Z為本站測時(shí)水位）；應(yīng)用上游比測水位與本站測時(shí)水位之差△Z作為參數(shù)，與實(shí)測流量Qs和Qc的比值K建立關(guān)系：K=a△Z2+b△Z+c。通過k值改正Q=Qc×K，推算流量。

4 落差法的分析計(jì)算

本次分析計(jì)算采用利民河閘站2017～2019年共計(jì)81次實(shí)測流量數(shù)據(jù)及上游水位比測站水位資料，經(jīng)軟件模擬并計(jì)算出Z～Q關(guān)系線及△Z～K關(guān)系線（見圖2、圖3），其關(guān)系公式分別為：Qc=63.29H+27.72；K=33.62△Z2+7.21△Z+0.352。

圖2 水位流量關(guān)系線

圖3 K值關(guān)系線

由圖可見，經(jīng)K值修正后，點(diǎn)線關(guān)系緊密，通過三項(xiàng)檢驗(yàn)，并且系統(tǒng)誤差與隨機(jī)不確定度中各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

具體公式為：

式中：

Se—系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差；

n—測次總數(shù)；

Pi—相對誤差；

XQ—隨機(jī)不確定度。

根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差與隨機(jī)不確定度的公式，具體曲線定線精度與三種檢驗(yàn)結(jié)果計(jì)算結(jié)果見表2。

Pi表2 曲線定線精度與三項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果計(jì)算表

對于觀測到的原始落差值數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能地提高水位觀測值精度。經(jīng)驗(yàn)算，應(yīng)用落差法推算流量與實(shí)測流量偏離±10%以內(nèi)測次69次，占總測次的86.4%；誤差±15%以內(nèi)內(nèi)測次81次，占總測次的100%；最大誤差14.4%，滿足《水位資料整編規(guī)范》中二級精度堰閘流量站定線精度要求。

5 存在的問題

落差法目前廣泛應(yīng)用于水文站推流計(jì)算模型中，其精度的確定主要受公式中相關(guān)參數(shù)取值大小的影響，并且在實(shí)際推流計(jì)算過程時(shí)，涉及到的落差計(jì)算以及選擇相應(yīng)時(shí)間的還需要仔細(xì)考慮。目前利民河閘主要采用水位曲線讀取法進(jìn)行水位狀況的測量。對于天然河流，更適合走中線的方法，但對于受水位波動(dòng)影響的測站，若繼續(xù)使用中線法獲得的數(shù)據(jù)，在一定程度上會(huì)影響落差的計(jì)算精度，并且由于落差的計(jì)算量比較龐大，當(dāng)應(yīng)用程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用將推流站水位讀取時(shí)間與落差讀取時(shí)間取為一致的做法，這種做法會(huì)加大數(shù)據(jù)精度控制的難度。

6 結(jié)束語

本文選用利民河閘（閘上）水文站2017年～2019年實(shí)測流量資料及上游水位比測站水位記錄數(shù)據(jù)，運(yùn)用落差法計(jì)算分析，得出水位流量之間關(guān)系。計(jì)算分析表明，受黃沙港閘、運(yùn)棉河閘排水頂托影響的利民河閘水文站，運(yùn)用落差法推求流量是有效的方法，在兩個(gè)或者三個(gè)閘同時(shí)排水工況下，推求流量精度較高，但在其他兩個(gè)閘不排水的情況下，相對誤差較大，還需進(jìn)一步分析。另由于本文僅對2017年～2019年的實(shí)測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行落差法計(jì)算分析，不具有普遍性和代表性，需收集更多的年限資料進(jìn)一步分析，以提高精準(zhǔn)度。