山西省圪洞水文站控制流域高水期水位～流量關(guān)系曲線單值化分析

石超強(qiáng)

摘? 要：水文巡測(cè)是對(duì)水文測(cè)站的管理體制和測(cè)驗(yàn)方式的重大改革。為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代水文工作科學(xué)化、現(xiàn)代化、信息化要求，減輕水文測(cè)驗(yàn)工作任務(wù)，從多人固守水文站監(jiān)測(cè)向巡測(cè)、間測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)相結(jié)合轉(zhuǎn)變的同時(shí)，不影響下游水庫的防汛要求及工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類生產(chǎn)生活活動(dòng)。從而改善水文業(yè)務(wù)增加、服務(wù)業(yè)務(wù)拓展和人員不足的情況，保證該站高水期從駐測(cè)向巡測(cè)轉(zhuǎn)變有充分的依據(jù)。在已有的水文資料基礎(chǔ)上根據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195—2015）（以下簡(jiǎn)稱《巡測(cè)規(guī)范》）[1]、《水文資料整編規(guī)范》（SL247—2012）（以下簡(jiǎn)稱《整編規(guī)范》）[2]等相關(guān)規(guī)范，試用Q～Ad關(guān)系曲線法的基本原理，對(duì)圪洞水文站2016～2020年的高水期水位～流量關(guān)系進(jìn)行了分析計(jì)算，得出穩(wěn)定的水位流量單值化關(guān)系。經(jīng)過曲線檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算等，確定該站在高水期各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《整編規(guī)范》及《巡測(cè)規(guī)范》允許誤差范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：Q～Ad關(guān)系曲線法;單值化分析;水位流量關(guān)系;圪洞水文站

中圖分類號(hào)：S914文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C

1 概況

北川河地處山西中西部，呂梁山脈中段西翼，為三川河主要支流，由北向南縱貫方山縣全境，東北西三面高山聳立，境內(nèi)地勢(shì)東北高、西南低，自東北向西南逐漸傾斜，東部河系發(fā)達(dá)，山脈高聳挺拔，森林茂密、雜灌叢生，20km以上大溝自北向南排列。

圪洞水文站位于山西省方山縣圪洞鎮(zhèn)圪洞村，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°14′，北緯37°53′。河名為北川河，屬黃河水系。流域集水面積749km2，主河道（北川河）長(zhǎng)度41.7km，主河道縱坡8.44‰。該站由黃河水利委員會(huì)于1957年1月設(shè)立峪口水文站，測(cè)驗(yàn)斷面位于方山縣峪口鎮(zhèn)南村（F=1133km2），1960年4月上遷20km至圪洞鎮(zhèn)，改名為圪洞水文站，1965年4月移交山西省水文總站。下游8km處有橫泉水庫一座。

該站水文下墊面產(chǎn)流地類共有4 種，分別為變質(zhì)巖灌叢山地299.6km2，占該集水面積的40%，變質(zhì)巖森林山地244.2km2，占該集水面積的32.6%，黃土丘陵溝壑區(qū)200.7km2，占該集水面積的26.8%，黃土丘陵階地4.5km2，占該集水面積的0.6%。水文下墊面匯流地類共有4 種，分別為草坡山地50.8km2，占流域面積的6.8%，灌叢山地247.1km2，占流域面積的33.2%，黃土丘陵204.2km2，占流域面積的27.4%，森林山地243.3km2，占流域面積的32.6%。

圪洞水文站為變質(zhì)巖土石山林灌區(qū)的區(qū)域性代表站。研究變質(zhì)巖土石山區(qū)降水、徑流、泥沙關(guān)系，分析其變化規(guī)律;收集各水文要素，為水文水利計(jì)算提供可靠參數(shù);為下游橫泉水庫以及沿岸人民及時(shí)提供雨情、水情、墑情信息，保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。圪洞水文站既是當(dāng)?shù)胤姥纯购?、水利建設(shè)和水資源管理的“耳目”、“前哨”與“尖兵”，也是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要公益性基礎(chǔ)事業(yè)單位。

橫泉水庫屬中型水庫，位于山西省呂梁地區(qū)三川河支流北川河干流上的方山縣班莊村與橫泉村之間，壩址以上控制流域面積800km2，多年平均天然徑流量5667萬m3。水庫壩高35.1m，總庫容8556萬m3。其中興利庫容4250萬m3，防洪庫容1141萬m3。是以城市生活及工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并兼顧防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的多年調(diào)節(jié)水庫。

2 Q～Ad關(guān)系曲線法的適用條件

根據(jù)《整編規(guī)范》，Q～Ad關(guān)系曲線法適用于斷面水深不大且水面較寬的單式河槽，無顯著沖淤，高水糙率和比降變化不大的站，可采用Q～Ad法延長(zhǎng)關(guān)系曲線。

3 測(cè)驗(yàn)河段基本情況

圪洞站測(cè)驗(yàn)河段較順直，基下約70m處有混凝土拱水壩，使得斷面受沖淤影響變化不大，河槽基本無變化，基本斷面呈U形。河床系沙礫卵石、沙壤土組成，左岸為河提，岸邊為平坦耕地，右岸為石山陡崖。屬單式河槽，高水比降和糙率變化不大。因此，該站高水期可采用Q～Ad法進(jìn)行單值化分析，Q～Ad關(guān)系曲線法點(diǎn)呈帶狀，能定單一曲線，若關(guān)系線誤差能達(dá)到規(guī)范要求，實(shí)際生產(chǎn)中可用該單值關(guān)系來推流，為優(yōu)化該站今后的流量測(cè)次布置，實(shí)行巡測(cè)、間測(cè)等提供依據(jù)。測(cè)驗(yàn)河段平面圖見圖1。

4 資料的選取

圪洞水文站為三類精度水文站，流量級(jí)的劃分：高水期≥30.0m3/s，30.0m3/s≤中水期<2.91m3/s，2.91m3/s≤低水期<1.23m3/s。文章選用2016～2020年5年10次連續(xù)、完整高水期實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行分析，資料滿足代表性、可靠性、一致性。

5 Q～Ad關(guān)系曲線

根據(jù)2016～2020年實(shí)測(cè)流量成果，編制實(shí)測(cè)流量Q～Ad關(guān)系計(jì)算表（見表1），對(duì)實(shí)測(cè)流量Q與Ad進(jìn)行回歸分析（見圖2），從圖2可知，實(shí)測(cè)流量Q與Ad相關(guān)系數(shù)為0.9981，說明二者的線性關(guān)系是非常顯著的，其回 歸方程為：令y=Q，x=Ad，則：

y=0.0018x2+3.7585x-11.644

6 單值化關(guān)系線檢驗(yàn)及誤差分析

根據(jù)《巡測(cè)規(guī)范》4.7.1：“關(guān)系線定線的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)應(yīng)符合下列規(guī)定，a）……進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)。b）……進(jìn)行適線檢驗(yàn)。c） ……進(jìn)行偏離/數(shù)值檢驗(yàn)?！?《巡測(cè)規(guī)范》4.2.4： “符合下列條件之一者，流量可實(shí)行巡測(cè);……或者經(jīng)過單值化處理后水位流量關(guān)系線（或推流關(guān)系線）呈單一線，流量定線達(dá)到本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許誤差……”，為此，需對(duì)Q～Ad關(guān)系線進(jìn)行三種檢驗(yàn)及誤差分析。

《巡測(cè)規(guī)范》4.5.2：“水位流量關(guān)系用單值化方法處理后分布呈帶狀，系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值三類精度的水文站不大于3%，且單值化處理的關(guān)系點(diǎn)據(jù)與單值化關(guān)系線間的定線誤差不大于17%（高水期）的允許誤差，可定單值化關(guān)系線”。

由表2可以看出：該站高水期Q～Ad關(guān)系線允許符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)分別1.09、1.31、1.46，三項(xiàng)檢驗(yàn)合格。

該站高水期Q～Ad關(guān)系線計(jì)算系統(tǒng)誤差絕對(duì)值為0.73%，允許系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值為3%，合格;隨機(jī)不確定度為4.8%， 允許隨機(jī)不確定度為17%，合格。

7 水位～單值流量關(guān)系線

根據(jù)實(shí)測(cè)流量Q與Ad的回歸方程，計(jì)算出不同水位的單值流量，確定水位～單值流量關(guān)系線（見圖3）。

8 結(jié)論

8.1 根據(jù)該站5年的實(shí)測(cè)水文資料，采用Q～Ad關(guān)系曲線法進(jìn)行檢驗(yàn)分析，表明該站高水期各項(xiàng)指標(biāo)（三種檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度）均符合《巡測(cè)規(guī)范》及《整編規(guī)范》的允許誤差，可定單值化關(guān)系線，證明該分析方法合理，精度較高，滿足《巡測(cè)規(guī)范》的巡測(cè)技術(shù)要求。

8.2 本法流量變化主要決定于過水?dāng)嗝?，精確地實(shí)測(cè)斷面非常重要，洪水過后要及時(shí)測(cè)量行洪斷面，以便提供分析斷面變化的依據(jù)。

8.3 此次單值化試驗(yàn)分析成功，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，把偏遠(yuǎn)的測(cè)站工解放出來，按照“駐巡結(jié)合、巡測(cè)優(yōu)先、測(cè)報(bào)自動(dòng)、應(yīng)急補(bǔ)充”的現(xiàn)代水文監(jiān)測(cè)模式，將基本水文站由單站管理向多站集中管理轉(zhuǎn)變，從多人固守水文站監(jiān)測(cè)向巡測(cè)、駐測(cè)、間測(cè)、應(yīng)急監(jiān)測(cè)相結(jié)合轉(zhuǎn)變，從而解決水文監(jiān)測(cè)任務(wù)增加、服務(wù)業(yè)務(wù)拓展和人員不足的矛盾。

8.4 根據(jù)本站的分析結(jié)果，在水文現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變的同時(shí)，能及時(shí)準(zhǔn)確的對(duì)下游橫泉水庫進(jìn)行報(bào)汛，從而不影響下游水庫的調(diào)節(jié)功能和供水、灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類生產(chǎn)生活活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱曉原，劉東生，陳松生，等.水文巡測(cè)規(guī)范.SL195—2015[S].北京：中國水利水電出版社，2015：3-10.

[2]劉東生，陳松生，趙蜀漢，等.水文資料整編規(guī)范.SL247—2012[S].北京：中國水利水電出版社，2013：10-16.

Single-value analysis of water level to discharge curve in control basins of Gedong Hydrological Stations in Shanxi Province during high water period

SHI Chaoqiang

（Lyuliang Hydrology and Water Resources Survey Station， Lyuliang 033000， Shanxi China）

Abstract：The hydrological survey is a major reform of the management system and test methods of hydrological stations.In order to realize the modern hydrological work scientific， modernization， information requirements， it reduces the hydrological work task from the hydrologic monitoring to patrol， measure， emergency monitoring combination between shift at the same time does not affect the downstream reservoir flood control requirements and industrial water supply， irrigation， power generation， aquaculture， and other human production and living activities.Therefore， it can improve the situation of increasing hydrological business， expanding service business and insufficient personnel， and ensure that there is sufficient basis for the transformation of the station from resident survey to patrol survey in the high water period.On the basis of the existing hydrological data， the basic principle of the Q-Ad curve method is tried out in accordance with the Hydrological Survey Patrol Specifications （SL195-2015） （hereinafter referred to as the Survey Patrol Specifications） [1]and the Hydrological Data Bundling Specifications （SL247-2012） （hereinafter referred to as the Survey Bundling Specifications） [2] and other relevant specifications.The relationship between water level and discharge during the high water period from 2016 to 2020 at Gedong stations is analyzed and calculated， and a stable single-valued relationship of water level and discharge is obtained.Through curve test and standard deviation calculation， it is confirmed that the station is within the allowable error range of the "BGC Code" and "Surveying Code" during the high water period.

Keywords：Q-Ad relation curve method; Uniformization analysis; Water level flow relationship; Gedong Hydrological Station