水位后移法在常樂水文站水位流量單值化分析中的應(yīng)用

劉惠雯，曾秀華，林國鴻，鄧建明，韋蔚來，鐘許松

（廣西沿海水文中心北海水文測報(bào)中心，廣西 北海 536000）

1 流域概況

1.1 地理位置

南流江位于廣西東南部，是廣西獨(dú)流入海第一大河，發(fā)源于玉林市北流市大容山南側(cè)，自北向南流。流經(jīng)北流市、玉林市玉州區(qū)、玉林市福綿區(qū)、博白縣、欽州市浦北縣、北海市合浦縣6縣（市、區(qū)），于合浦縣注入北部灣的廉州灣，全長285 km，流域面積9232 km2，平均坡降為0.35‰，是桂南沿海流域面積最大、流程最長的獨(dú)流入海河流。

1.2 氣象及水文特征

南流江流域地處南亞熱帶，北枕大山，南臨海洋，屬南亞熱帶向熱帶過度的季風(fēng)氣候區(qū)。年均氣溫21.5～23.1℃，年降水量為1400～1900 mm。夏季盛行偏南風(fēng)，冬季盛行偏北風(fēng)，但由于海陸風(fēng)的調(diào)節(jié)，與內(nèi)陸同緯度地區(qū)相比，夏天偏涼，冬天偏暖，全縣無霜期平均每年350 d，光照充足，雨量充沛。受臺(tái)風(fēng)影響，暴雨集中，水位易暴漲造成洪澇災(zāi)害。

南流江流域豐水期4～9月的徑流量占年徑流量的80.6%，6～9月的徑流量占年徑流量的63.1%。多年（1956—2000年）平均年徑流量為49.97億m3（按常樂水文站天然徑流量計(jì)算）。

1.3 站點(diǎn)基本情況

常樂水文站是國家基本水文站，設(shè)立于1952年，位于合浦縣常樂鎮(zhèn)，是珠江流域南流江重要控制站。常樂水文站集水面積為6645 km2，主要測驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、水質(zhì)、泥沙、降水、蒸發(fā)、水溫、岸溫。自建站以來最高水位18.770 m（1967-08-06）（85基準(zhǔn)，下同），最低水位10.34 m（2021-07-18），實(shí)測最大流量4860 m3/s（1967-08-06），實(shí)測最小流量13.7 m3/s（2021-07-18）。

常樂水文站測驗(yàn)河段順直約900 m，主槽位于左岸，左岸斷面處建有護(hù)坡，右岸由沙礫石與沙壤土組成，岸坡平緩穩(wěn)定。河底為砂卵石構(gòu)成，無水生植物影響，河床因河段抽沙沖刷逐年降低。水位在18.50 m時(shí)右岸漫灘分流，19.50 m以上左岸也有分流，高水漫灘寬度左岸2005 m，右岸2100 m。

2 資料選用

2.1 歷年資料情況

本站從1953年5月開始流量測驗(yàn)，1956年1月1日～7月31日停止流量測驗(yàn)，1956年8月1日恢復(fù)流量測驗(yàn)至今。1953年5月～2012年4月采用測船、轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)，2012年5月～2015年5月采用纜道、轉(zhuǎn)子式流速儀進(jìn)行流量測驗(yàn)，2015年6月至今采用纜道、走航式ADCP進(jìn)行流量測驗(yàn)，1953年5月～1980年12月采用連時(shí)序法進(jìn)行整編，1981年1月至今采用單一線進(jìn)行整編。

2.2 分析資料情況

選用2013—2021年實(shí)測資料進(jìn)行分析，從分析資料查得實(shí)測最高水位17.11 m（2013-11-12），相應(yīng)流量2480 m3/s；實(shí)測最大流量為2710 m3/s（2015-10-07），相應(yīng)水位16.23 m；實(shí)測最低水位10.34 m（2021-07-18），相應(yīng)流量（最小流量）為13.7 m3/s。

2.3 選用資料的合理性分析

根據(jù)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定，實(shí)測流量及相應(yīng)水位的變幅已控制歷年（包括大水、枯水年份）水位變幅的80%以上。資料的可靠性、一致性、代表性均良好。

3 單值化分析

3.1 水位后移法原理

常樂水文站受洪水漲落影響，測驗(yàn)河段基本穩(wěn)定且下游無變動(dòng)回水影響，本次采用抵償河長法中的水位后移法來進(jìn)行單值化分析[1]。即用實(shí)測流量與測流平均時(shí)間后移一個(gè)時(shí)段的水位建立關(guān)系，使繩套曲線轉(zhuǎn)化為單一的水位流量關(guān)系曲線。后移時(shí)間T為洪水波在抵償河長L的傳播時(shí)間Γ的1/2，即T=Γ/2[1]。

3.2 后移時(shí)間的確定

在歷年的水位流量關(guān)系圖中，選取幾個(gè)具有代表性，漲落率較大的測點(diǎn)，量出各測點(diǎn)距離穩(wěn)定的水位流量關(guān)系曲線的水位差值，除以相應(yīng)的漲落率得到水位后移時(shí)間，初步確定后移時(shí)間為20～30 min。試錯(cuò)法確定Z～Q關(guān)系曲線：給定各種不同的后移時(shí)段，以測流平均時(shí)間后移一個(gè)時(shí)段后的水位與實(shí)測流量建立關(guān)系，以滿足單一曲線定線要求且水位流量關(guān)系曲線不確定度最小者為最優(yōu)。通過試錯(cuò)法，確定常樂水文站后移時(shí)間30 min為最優(yōu)[2]。

3.3 定線推流

根據(jù)后移水位、實(shí)測流量數(shù)據(jù)繪制各年的水位流量關(guān)系曲線，按照《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）進(jìn)行適線檢驗(yàn)、符號檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，計(jì)算各年關(guān)系線標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度及系統(tǒng)誤差，與后移前進(jìn)行對比[3]。單值化前后關(guān)系線檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 單值化前后關(guān)系線檢驗(yàn)結(jié)果表%

從表1可看出，單值化后各年關(guān)系曲線符合檢驗(yàn)，適線檢驗(yàn)，偏離數(shù)值檢驗(yàn)均合格，滿足《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）要求，一類精度站單一線系統(tǒng)誤差為±1%，隨機(jī)不確定度±8%。說明單值化關(guān)系線符合定線誤差，定線合理。系統(tǒng)誤差在允許范圍內(nèi)，成果合理。

挑選2013、2019、2020年分別代表豐、平、枯水年，計(jì)算其年、汛期（4～9月）、低水枯期后移前后徑流總量，并進(jìn)行誤差分析。因2013年最高水位出現(xiàn)在11月，2013年汛期徑流總量計(jì)算采用4月25日～9月24日、10月25日～11月24日的徑流總量。低枯水期徑流總量取年徑流總量減去汛期徑流總量計(jì)算而得[4]，計(jì)算結(jié)果見表2，結(jié)果均符合《水文巡測規(guī)范》（SL 195-2015）第4.5.3、4.5.5條規(guī)定。

表2 不同時(shí)段徑流總量誤差統(tǒng)計(jì)表

汛期總量低枯水期總量單值化后（108 m3/s）單值化前（108 m3/s）誤差/%允許誤差/%單值化后/（108 m3/s）單值化前/（108 m3/s）誤差/%W枯/W年允許誤差/%57.36 57.32 0.07±3.0 19.04 19.03 0.05 0.25±2.5 34.28 34.26 0.06±3.0 10.58 10.59-0.09 0.24±2.5 17.24 17.24 0±3.0 9.53 9.52 0.11 0.36±2.5

挑選2013、2019、2020年中最大洪水過程，分別計(jì)算后移前后一次洪水徑流總量，并進(jìn)行誤差分析，結(jié)果見表3，計(jì)算結(jié)果均滿足《水文巡測規(guī)范》（SL 195-2015）第4.5.3條規(guī)定。

表3 一次洪水過程徑流總量誤差統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

（1）常樂水文站水位流量關(guān)系可采用水位后移法進(jìn)行單值化處理，可按水位級均勻布設(shè)測次，大大減輕了流量測驗(yàn)任務(wù)。

（2）經(jīng)過單值化處理，可采用本站水位后移法進(jìn)行整編，后移時(shí)間為30 min。經(jīng)過關(guān)系曲線檢驗(yàn)，滿足規(guī)范要求，可作單值化處理并應(yīng)用于資料整編。