臨時曲線法定線推流問題探討

陳 楊

(新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 830052)

0 引 言

八家戶站是省級重要水文站，1983年由紅山頭水文站向上遷33km建立并觀測至今，紅山頭水文站同時撤站。八家戶水文站所在測驗河段順直，無岔流、串溝，單式巖石河床，河底為砂礫、卵石，河道有沖淤現(xiàn)象。該站汛期主要用自記水位計觀測水位，非汛期為水尺觀測，測量設施為LS25-1型流速儀，其暢流期流量資料整編采用臨時曲線法，冰期采用實測流量過程線法。

我國相關防洪規(guī)范中大多為防洪工程措施的相關規(guī)定，水力學計算部分少之甚少，且無具體公式，雖然水力學教科書中進行了天然河道水面曲線的詳細論述及計算方法的演示講解，但是其均屬于常規(guī)性算法。而天然河道符合測站水文特性的水位-流量、水位-流速及水位-面積關系曲線的定線過程對水文測驗、資料整編等要求較高，同時也與定線人員對水文學、流體力學等相關專業(yè)知識的掌握與應用程度有關。

1 臨時曲線法定線理論

天然河流水文測站集水面積降水量受到流域坡降、水面比降的的影響后而產生的重力加速度形式的流動即為測流斷面徑流量，凈雨量經過坡面匯流、河槽調蓄、水工建筑物攔蓄、引排調節(jié)、糙率等的影響和作用后會表現(xiàn)出沖淤及斷面形狀的變化，斷面流速均值[1]可以用以下函數(shù)表示：

(1)

當斷面流速均值近似為穩(wěn)定不均勻流速時，可表示如下：

(2)

式中：R為水力半徑，即斷面面積/濕周，對于寬線河道，可用水深均值h近似代替。

(3)

式中：Q為流量；B為水面寬；h、B均為水位的函數(shù)。

由于流量、流速及面積均為水深的函數(shù)，所以，八家戶站臨時曲線法定線線形可借鑒人工渠道[2]表示如下：

A=K1hα，α≥1

(4)

(5)

Q=K3hγ，λ=(α+β)>1

(6)

水位-流量曲線為向下凹進的增值曲線，水位-流速曲線為向上方凹進的漸近曲線，而且在水庫回水、水工建筑物、流域面積、地質構造、坡度等因素的影響下，水位-流量曲線和水位-流速曲線形狀并不相同。

2 臨時曲線法定線推流

2.1 臨時曲線法定線及變化規(guī)律

臨時曲線法對于不經常性沖淤測站以及受水草生長影響的天然河道較為實用，在其水位流量關系穩(wěn)定的時段進行定線，并以過渡方式連接各臨時曲線，進行流量推求。其基本原理為：構建相對穩(wěn)定時段內的單一關系曲線，并對相鄰曲線間過渡時段進行處理，直接根據水位在相應時段曲線上進行流量推求。

八家戶站臨時曲線法定線示意圖詳見圖1，流域面積、地質構造、坡度及水工建筑物等測站水文特性對水流所形成的綜合作用力近于恒定，并對水流形態(tài)變化造成影響，影響程度的大小主要與一定時段內雨強、凈雨量、產匯流及土壤含水量等因素有關。根據相關原理，水流形態(tài)光滑度阻力系數(shù)按照下式確定：

圖1 八家戶站臨時曲線法定線示意圖

(7)

式中：F為引起斷面沖淤變化的水流作用力；γ為河床表層泥沙質及懸移質黏著力；α為水流正投影面積；v為相應流速；G0河床水重量。

根據上式，當F≤G0，水中懸移質下沉并推移至河床形成淤積；而當F>G0，則河床沖刷?？紤]到本測站所在流域流速橫向分布不均，沖淤并存時有出現(xiàn)，洪水漲水段比落水段沖刷大。通常情況下，臨時曲線法定線條數(shù)和產流及洪水特性有關，該測站大水年出現(xiàn)幾場較大洪水，同水位累計最大斷面沖淤面積為104.3m2，最大流量變差16.4m3/s，且水位流量曲線數(shù)從非較大洪水期的2-5條增加至較大洪水期的5-11條。在大致相同的產流條件下，各年各曲線及河底平均高程取值均較為接近。

2.2 定線要求

八家戶站水文特性主要受到漲落率、沖淤及時段性回水等的綜合作用，為確定相關時段，還應進行測站附近水庫、筑壩等水工建筑物引排水量，是否存在潰堤、垮壩、引入及分流，水面線有無明顯變化，流量、降水等變化過程，是否通過纜道、橋測等測流方法及測流精度，控制性水位、流量及插補方法，產流及斷流時間，是否存在漏測較大峰谷的分析。

為采用臨時曲線法進行測站定線，應運用較大的比例尺，并放大讀數(shù)差在2.5%以上的曲線，對于測點數(shù)少于5個的情況一般只放大流量線，臨時斷面測點數(shù)少于3個時僅分析流量線，其余曲線不受測點數(shù)的限制。所繪制的各曲線均應符合相應水文特性，由于水流表現(xiàn)出很強的漸變性、流動性和相似性，所以各曲線總體變動趨勢較為相似，且主線段更加平順、流暢、圓滑、無交叉、無反曲。

2.3 定線程序

以八家戶站推流過程中最大水位變動幅度的25%為準，該幅度以下、中及以上分別對應低、中、高水位級。由于流量是流速和面積的函數(shù)，且流速和流量具有一定的互補性，所以應先定水位-流量線，再定水位-面積線，但是流速具有敏感多變性特征，受水情及斷面沖淤影響較大，存在較大的定準難度。為此，應采用逆運算，即按照時間序列在時段內流量、面積曲線水位變幅中按照0.2m確定結點，并查出該結點和兩端結點水位、流量、面積，根據式V=Q/A并通過校線表進行各結點流速計算，再將各時段水位-流速線相連或合并，即為所求。為保證結果的精確性，還應全面校核時段內各測點，對于存在偏離或交叉的情況應反復修正[3]水位-流量線和水位-面積線，直至將誤差控制在允許范圍內。

3 水位流量曲線修正

全面校核全部測點，并運用單元分解和排除法定線，即將每場較大洪水確定為一個單元，并通過流量分析圖考證離線差較大的測點，用兩種不同符號按照時間序列標注第一場一般峰、量小洪水的漲落水段測點，并合定為一條曲線。若第二場洪水測點換線，則應根據本場次洪水漲落水段測點分布情況定線。對于峰次較少的情況全部測點可一次性審核，并確定出整體線形，并跨時段進行合并線所有測點標號及定線。

所繪制出的水位-面積線和水位-流速線應采用峰谷水位自然過渡，盡可能減少曲線重合段，并呈相切、非相割形態(tài)。而相割或交叉應為見點連線，尤其對于因峰谷各點所引起的、偏離點可舍棄、不超差的情況，應通過點群定線或合并定線。為減少時段數(shù)，應以洪水峰谷水位為換線公共點，但是會增大整體曲線的不合理性，對于較大洪水還應通過起漲水位定線。高水曲線定線應參考流速、面積，低水曲線定線應依據測點流最低河底高程或斷流水位進行控制。如遇漏測洪水期或測點較少的情況，應參照相同洪水特性的相關曲線定線。在定線后還應通過視線法進行略反曲線標定，再根據時段數(shù)、曲線數(shù)最少的原則，重新進行原定曲線編號，并相應確定時段。八家戶站水位流量曲線修正示意圖，見圖2。

圖2 八家戶站水位流量曲線修正示意圖

八家戶站水位流量原定線為a、L1、L2為見點連線，變動趨勢較為異常，L2-L4低水交點較高，將其修正后得到a’線，并且各測點均不超差；水位-面積原定線為b，L1為借用斷面，1號測點與L1為同一場洪水，2、3號測點則為后場洪水落水段的測點，經修正后將上述三個測點合定為一條曲線，仍用L1表示；原定線b表現(xiàn)為“8”字形且與c水位-流量線交叉，線間表示洪峰流量，將其修正后得到c’線。

4 結 論

綜上所述，天然河道水文測站臨時曲線法定線結果受到水流成因、水庫回水、水工建筑物、流域面積、地質構造、坡度等因素的影響，而習慣性見點連線與換線交點不當對定線的準確性影響較大。在充分認識和掌握天然流域測站水流成因及規(guī)律的基礎上，運用相關理論進行水位-流量、水位-流速等曲線的繪制與定線分析，才能保證臨時曲線法定線過程及結果的準確性，并為流域水文分析提供可靠的依據。