水利水電工程建設(shè)對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)的影響

孫紅美 孫振玉 孫凱

（泰安市水文中心，山東 泰安 271500）

在水文測(cè)驗(yàn)時(shí)，技術(shù)人員需要到現(xiàn)場(chǎng)采集不同類(lèi)型的地質(zhì)數(shù)據(jù)與水文信息，但數(shù)據(jù)的獲取過(guò)程在水利建設(shè)工作的影響與干預(yù)下，會(huì)出現(xiàn)明顯的偏差，測(cè)驗(yàn)工作的復(fù)雜性也出現(xiàn)明顯提升趨勢(shì)。通過(guò)水文測(cè)驗(yàn)，可以及時(shí)感知下游水文環(huán)境的變化，將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)作為參照，可以有效避免由于水資源變化誘發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)象，也可以提高水源的使用率[1]。但隨著我國(guó)地方政府與相關(guān)部門(mén)對(duì)水利水電建設(shè)工程投入的增加，水文測(cè)驗(yàn)工作的難度也隨之加大，甚至直接干預(yù)了下游相關(guān)工作的順利開(kāi)展。為降低影響，使水利水電工程成為優(yōu)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的福利工程，建設(shè)單位提出了規(guī)范水文測(cè)驗(yàn)工作行為、制定專(zhuān)項(xiàng)測(cè)驗(yàn)方案等措施，但相關(guān)措施的實(shí)施，未能在實(shí)際工作中取得成果，甚至對(duì)水利水電工程項(xiàng)目的建設(shè)造成了干預(yù)[2]。為了徹底解決工程建設(shè)對(duì)水文測(cè)驗(yàn)的負(fù)面影響，在保證水利工程項(xiàng)目發(fā)揮最大運(yùn)行效能的基礎(chǔ)上，提升測(cè)繪數(shù)據(jù)的精確性與時(shí)效性，本文將設(shè)計(jì)一種工程建設(shè)對(duì)測(cè)驗(yàn)影響程度的分析方法，掌握工程建設(shè)在不同程度上對(duì)測(cè)驗(yàn)的干預(yù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)驗(yàn)工作的優(yōu)化。

1 水利水電工程建設(shè)對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)的影響分析方法

通過(guò)對(duì)下游河段進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)可以提高地域水文質(zhì)量，提升地域內(nèi)水利水電工程建設(shè)效果，促使其發(fā)揮最大效能。同時(shí)，高質(zhì)量的水利水電工程建設(shè)也可以反作用于水文測(cè)驗(yàn)中，利用終端計(jì)算機(jī)設(shè)備，將提取到的影響下游水文測(cè)驗(yàn)的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行劃分，降低水文平衡性誤差，以此構(gòu)建工程建設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)關(guān)系模型，提高地域水文分析能力。采用關(guān)聯(lián)度計(jì)算下游測(cè)驗(yàn)站工作穩(wěn)定性系數(shù)及建設(shè)頻繁程度等數(shù)值，獲取水文測(cè)驗(yàn)的不同影響程度，對(duì)工程建設(shè)與測(cè)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。通過(guò)掌握工程建設(shè)周期內(nèi)下游水文的空間分布變化趨勢(shì)，提升水質(zhì)測(cè)繪的精確性，及時(shí)對(duì)問(wèn)題水源進(jìn)行檢測(cè)和治理，促使我國(guó)水資源利用率提高。

1.1 下游水文測(cè)驗(yàn)影響因素提取

為進(jìn)一步感知工程建設(shè)與測(cè)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的影響，需要在開(kāi)展設(shè)計(jì)研究前，對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)工作影響因素進(jìn)行提取。在此過(guò)程中應(yīng)明確，對(duì)下游進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)其本質(zhì)是對(duì)下游水位監(jiān)測(cè)、水體流量綜合檢驗(yàn)的過(guò)程，因此對(duì)其影響因素的提取便是對(duì)監(jiān)測(cè)與綜合檢驗(yàn)過(guò)程深度分析的過(guò)程。

在進(jìn)行下游水位監(jiān)測(cè)時(shí)，技術(shù)人員需要先進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)儀器設(shè)備的調(diào)試，獲取不同時(shí)段下的水位，將獲取或采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入終端計(jì)算機(jī)設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀調(diào)整與平滑處理[3]。通過(guò)此種方式，可以得到如圖1 所示的水位監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線。

圖1 下游水位監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線示意圖

在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，水位監(jiān)測(cè)值的精度、誤差、時(shí)效等參數(shù)均可以作為描述監(jiān)測(cè)結(jié)果質(zhì)量性與可行性的指標(biāo)。

采用多普勒超聲波流量計(jì)，按照ADCP 測(cè)流方法對(duì)被測(cè)試的水域水流進(jìn)行平均流速、水深和水溫的測(cè)試。由于多普勒超聲波流量計(jì)自身帶有溫度傳感器，可以補(bǔ)償水溫對(duì)聲速的影響，使測(cè)試結(jié)果更加精確。同時(shí)，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)會(huì)減小對(duì)水域內(nèi)水流的影響程度，提高測(cè)量精度，降低起始速度，便于獲取水域?qū)嶋H水質(zhì)數(shù)值。結(jié)合速度面積法，測(cè)量水域內(nèi)的水流瞬時(shí)流量和累積流量，有效提高下游水文測(cè)驗(yàn)影響因素?cái)?shù)據(jù)的提取效果，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。但是，在水利水電工程建設(shè)綜合調(diào)度過(guò)程中，由下游流下的水體不論在流量或是在流速方面，都會(huì)受到影響。盡管技術(shù)人員可以通過(guò)對(duì)水位流量的ADCP 在線監(jiān)測(cè)，精準(zhǔn)地掌握水位與流量信息，但測(cè)驗(yàn)工作中的平衡性誤差仍不可避免[4]。按照上述方式，在水文測(cè)驗(yàn)工作中，將描述測(cè)驗(yàn)結(jié)果的多個(gè)參數(shù)指標(biāo)作為影響因素，將參數(shù)指標(biāo)表示為P，則測(cè)驗(yàn)影響因素可以表示為{P1,P2,P3,…,Pn}，按照此種方式，完成對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)影響因素的提取，其中n 代表影響因素的數(shù)量。

1.2 構(gòu)建工程建設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)關(guān)系模型

全面、可靠的水文地質(zhì)資料是保證水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的依據(jù)，為掌握上游水利工程建設(shè)實(shí)施對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)工作的影響，本章提出構(gòu)建兩者關(guān)系模型的方式，發(fā)揮工程建設(shè)對(duì)測(cè)驗(yàn)的負(fù)面干預(yù)。

在開(kāi)展此項(xiàng)工作時(shí)，可以通過(guò)結(jié)合水文流量組合法與連時(shí)序法的方式，構(gòu)造下游水文分布空間結(jié)構(gòu)。水文流量組合法是將被測(cè)水域內(nèi)的上游河段與下游河段變化趨勢(shì)進(jìn)行組合的一種方式，可以提高測(cè)驗(yàn)過(guò)程中的精準(zhǔn)度。這是由于水利水電工程建設(shè)對(duì)上游河段的影響程度較小，不會(huì)因?yàn)橥饨绲目陀^環(huán)境因素和工程建設(shè)的內(nèi)在影響造成上游河段水位和流量變化。因此，可以在上游區(qū)域內(nèi)選取某一時(shí)段的水位與流量變化情況，將其繪制成水文變化趨勢(shì)圖，結(jié)合折線趨勢(shì)分析下游水域的變化程度。水文流量連時(shí)序法是通過(guò)計(jì)算的方式獲取一定時(shí)期范圍內(nèi)的被測(cè)水域H-ADCP 數(shù)據(jù)，根據(jù)具體下游河段的流速、水深和水溫結(jié)果進(jìn)行圖表繪制。水文流量圖表以時(shí)間變化趨勢(shì)和流量走勢(shì)作為繪制條件，繪制出在特定時(shí)期范圍下，下游河段水勢(shì)情況，以此分析水利水電工程建設(shè)對(duì)下游水文的影響。將水文空間分布的變化趨勢(shì)作為關(guān)系，按照水文流量組合法與連時(shí)序法的方式構(gòu)建工程建設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)關(guān)系模型。模型構(gòu)建的主要參照依據(jù)，例如，調(diào)度數(shù)據(jù)庫(kù)歷史數(shù)據(jù)，明確下游水文變化周期（周期可以為一個(gè)月，也可以為一個(gè)季度），記錄水文工程在建設(shè)周期內(nèi)下游周?chē)档淖兓?。引進(jìn)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，識(shí)別并判斷水系變化在此過(guò)程中是否存在可循規(guī)律，根據(jù)規(guī)律繪制水系流量圖示[5]。同時(shí)，明確測(cè)驗(yàn)中的上游水位變化受到水利水電工程建設(shè)的影響程度較小，水位監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)與水體流量數(shù)據(jù)的相關(guān)性更強(qiáng)。因此，在構(gòu)建關(guān)系模型時(shí)，截取上游水位中某一段高水位流量信息，將其繪制成“時(shí)序- 上游水位流量”示意圖，將繪制的圖示與周期時(shí)間段內(nèi)“時(shí)序- 下游水位流量”示意圖進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果，得到一個(gè)可以描述工程建設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)關(guān)系的結(jié)構(gòu)模型。模型表達(dá)式如下計(jì)算公式所示。

公式（1）中：Qm表示為工程建設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)關(guān)系模型表達(dá)式；K 表示為點(diǎn)面系數(shù)；m 表示為兩者圖示匹配程度；θ 表示為下游水位峰值；S 表示為統(tǒng)計(jì)流量；F 表示為測(cè)驗(yàn)周期。將已知參數(shù)代入上述計(jì)算公式，完成對(duì)關(guān)系模型的構(gòu)建，初步掌握在工程建設(shè)周期內(nèi)下游水文的空間分布變化趨勢(shì)。

1.3 基于關(guān)聯(lián)度計(jì)算的影響程度綜合分析

完成對(duì)影響因素的提取與上述相關(guān)設(shè)計(jì)研究后，引進(jìn)關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式，通過(guò)對(duì)不同影響因素與水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果可靠性指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度比對(duì)，掌握工程建設(shè)與測(cè)驗(yàn)結(jié)果的影響。關(guān)聯(lián)度計(jì)算可以通過(guò)研究被測(cè)水域上游河段和下游河段的平均流速、水深和水溫等數(shù)據(jù)，研究水利水電工程建設(shè)與下游水文的關(guān)聯(lián)性大小，從而反映各影響因素對(duì)目標(biāo)值的重要程度，具有一定的客觀性。其中，水利水電工程建設(shè)對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)影響程度的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下。

公式（2）中：ΔZm表示為工程建設(shè)與測(cè)驗(yàn)結(jié)果的影響關(guān)聯(lián)度；η 表示為下游測(cè)驗(yàn)站工作穩(wěn)定性系數(shù)；i 表示為上游水利水電工程建設(shè)頻繁程度；V 表示為水文體積系數(shù)。將相關(guān)數(shù)值代入計(jì)算公式（2），得到ΔZm結(jié)果數(shù)值，對(duì)ΔZm進(jìn)行量化處理。當(dāng)ΔZm取值在0.8～1.0 之間時(shí)，說(shuō)明水利水電站工程建設(shè)對(duì)于測(cè)驗(yàn)工作的影響程度極大，測(cè)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可能與實(shí)際結(jié)果存在偏差；當(dāng)ΔZm取值在0.5～0.8（不含0.8）時(shí)，說(shuō)明水利水電站工程建設(shè)對(duì)于測(cè)驗(yàn)工作的影響程度較大，測(cè)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可能與實(shí)際結(jié)果存在可校正的偏差；當(dāng)ΔZm取值<0.5（不含0.5）時(shí)，說(shuō)明水利水電站工程建設(shè)對(duì)于測(cè)驗(yàn)工作無(wú)影響，或影響程度較小，可以通過(guò)人工校正的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)影響程度的綜合分析。

至此，完成了水利水電工程建設(shè)對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)影響的方法設(shè)計(jì)，綜上所述規(guī)范水文測(cè)驗(yàn)工作有利于確保水文站的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處的目的。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

在完成對(duì)影響分析方法的設(shè)計(jì)后，為了驗(yàn)證這一分析方法的應(yīng)用效果，選擇以某流域?yàn)樵摲治龇椒ǖ膽?yīng)用環(huán)境，開(kāi)展這一覆蓋范圍內(nèi)水利水電工程建設(shè)對(duì)其下游水文測(cè)驗(yàn)的影響分析。已知該流域當(dāng)中富含豐富的水生生物資源，流域全長(zhǎng)300km，在該區(qū)域上游位置完成了對(duì)水利水電工程的建設(shè)，除了對(duì)河流以及生物造成了阻隔影響以外，工程中水庫(kù)調(diào)度時(shí)也對(duì)該流域下游水文測(cè)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生了一定影響。為了探究具體影響，針對(duì)該流域進(jìn)行影響分析。首先，提取該區(qū)域下游水文測(cè)驗(yàn)影響因素，其次，結(jié)合該流域上游水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目，構(gòu)建工程建設(shè)與水文測(cè)驗(yàn)關(guān)系模型。最后，引入關(guān)聯(lián)度計(jì)算，對(duì)該流域水利水電工程建設(shè)對(duì)下游水文測(cè)驗(yàn)的影響進(jìn)行分析。在分析過(guò)程中，提取各項(xiàng)指標(biāo)并按照上述論述內(nèi)容，計(jì)算得出該流域在建設(shè)水利水電工程前10 年各指標(biāo)的平均數(shù)值，再計(jì)算出該流域在建設(shè)水利水電工程后10 年各指標(biāo)的平均數(shù)值，將計(jì)算結(jié)果繪制成表1 所示。

表1 各影響因素指標(biāo)計(jì)算結(jié)果記錄表

從表1 中得出的各影響因素指標(biāo)計(jì)算結(jié)果可以看出，影響因素指標(biāo)P3 和P5 的相對(duì)變化更大，其次為P4和P6，最低的影響因素指標(biāo)為P2，相對(duì)變化僅為2.1%，可認(rèn)為這一影響因素不會(huì)影響測(cè)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。由此可以通過(guò)相對(duì)變化確定工程建設(shè)對(duì)其測(cè)驗(yàn)主要受到P3 和P5 因素影響，其次為P4 和P6，在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)受到P2 因素影響。通過(guò)上述實(shí)例能夠看出，本文提出的影響分析方法能夠結(jié)合最終得出的分析量化結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)其影響因素的確定，直觀性更強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中具備更高可行性。

為對(duì)比分析本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法在測(cè)量流量方面的誤差，選用上述流域下游洪水過(guò)程進(jìn)行兩種影響分析方法的測(cè)量流量結(jié)果對(duì)比，測(cè)量水利水電工程位于該水文站測(cè)驗(yàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)，水文測(cè)驗(yàn)斷面距工程約80m。該水文站測(cè)驗(yàn)河道順向長(zhǎng)度450m，在基礎(chǔ)斷面下300 米處修建了一座雙曲型拱橋。該流域植被覆蓋率高，雨量充沛，年變化不大。洪水以暴雨為主，起伏緩慢。在高水位條件下，水位- 流量關(guān)系是一條單線，在中、低水段出現(xiàn)多條臨時(shí)曲線。

2020 年，該水文站洪水時(shí)間從0902-0930 歷時(shí)大于60d，洪水量級(jí)為中量級(jí)，河道斷面洪峰流量1800m3/s，最大水面寬500m，最大垂線平均流速3.3m/s，該次洪水過(guò)程具有較高對(duì)比測(cè)驗(yàn)價(jià)值。于2020 年6、7 兩個(gè)月該水文站利用本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法對(duì)水文站斷面出現(xiàn)的中、低洪水進(jìn)行了對(duì)比分析，具體結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 水文站中等洪水時(shí)測(cè)量流量精度對(duì)比表

表3 水文站低等洪水時(shí)測(cè)量流量精度對(duì)比表

從表2 可以看出水文站中等洪水橋本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法所測(cè)得流量最大絕對(duì)誤差為40m3/s，最小為0m3/s。符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)定的相對(duì)誤差在5%的規(guī)定范圍。從表3 可以看出水文站低等洪水橋本文提出的影響分析方法和傳統(tǒng)影響分析方法所測(cè)得流量最大絕對(duì)誤差為25m3/s，最小為0m3/s。

符合水文測(cè)驗(yàn)規(guī)定的相對(duì)誤差在5%的規(guī)定范圍。從測(cè)驗(yàn)時(shí)間上看傳統(tǒng)影響分析方法測(cè)流平均在90min 左右，本文提出的影響分析方法測(cè)流平均在15min 左右，傳統(tǒng)影響分析方法測(cè)流時(shí)間是本文提出的影響分析方法測(cè)流時(shí)間的6 倍，可見(jiàn)本文提出的影響分析方法測(cè)流效率極高。

3 結(jié)論

水文測(cè)驗(yàn)工作是指技術(shù)人員在開(kāi)展相關(guān)工作時(shí)，使用專(zhuān)業(yè)的儀器設(shè)備，輔助現(xiàn)代化技術(shù)，對(duì)地區(qū)水文資料進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)與分析處理的過(guò)程。通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)統(tǒng)計(jì)工作，可以得到大量的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，將此部分?jǐn)?shù)據(jù)作為參照，可以為地區(qū)水利水電工程與相關(guān)項(xiàng)目提供進(jìn)一步的參考依據(jù)。為了降低外界環(huán)境對(duì)此項(xiàng)工作實(shí)施造成干擾，將設(shè)計(jì)一種工程建設(shè)對(duì)測(cè)驗(yàn)影響程度的分析方法，并通過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)方法的可行性進(jìn)行了檢驗(yàn)，掌握了上游工程建設(shè)工作對(duì)測(cè)驗(yàn)工作造成的綜合影響，為實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)測(cè)驗(yàn)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等相關(guān)工作的實(shí)施提供可靠、科學(xué)、精準(zhǔn)的測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)。