藕池（管）站水位流量單值化方案分析及應(yīng)用探討

魏 軒，魏林云

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州，434020）

0 引言

藕池（管）水文站屬控制長(zhǎng)江四口分流藕池河的國(guó)家基本站，且為長(zhǎng)江荊江河段重要的防汛測(cè)報(bào)站，研究其控制斷面的水位流量關(guān)系，對(duì)水文測(cè)驗(yàn)、河道行洪能力分析以及洪水調(diào)度與預(yù)報(bào)等工作具有非常重要的意義[1]。然而受洪水漲落、斷面沖淤、洞庭湖回水頂托以及通斷流[2]等多重因素的影響，該站水位流量關(guān)系通常呈不穩(wěn)定的形態(tài)，即水位與流量呈多值關(guān)系，這種關(guān)系致使水文測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)難以控制、布置測(cè)次多且獲取數(shù)據(jù)時(shí)效性不強(qiáng)等，而且給洪水預(yù)報(bào)、水文計(jì)算帶來(lái)不便，因此對(duì)藕池（管）站水位流量單值化關(guān)系的分析研究具有重要的意義。

1 測(cè)站概況

藕池（管）站始建于1952年7月，位于長(zhǎng)江四口水系藕池河段，地理位置為東經(jīng) 112°19′、北緯 29°44′，是國(guó)家一類流量精度站，其基本水尺斷面上游約19.0km為長(zhǎng)江分流藕池河口，約2.0km的右岸為安鄉(xiāng)河口，1.7km有鳳凰洲，248m為管家鋪大橋；基下600m有浩吉鐵路大橋，下游約1.4km有岳宜高速公路大橋，下游約10km藕池河分東中兩支，再下游分為多支流入洞庭湖，附近河段概況如圖1。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約1.5km，斷面為槽式斷面，主泓偏左，在起點(diǎn)距190～265m之間擺動(dòng)。河床左部為黃土，基本穩(wěn)定；河床右部為沙質(zhì)逐漸淤高，斷面右岸有100m左右灘地，漫灘后出現(xiàn)死水。

藕池（管）站水位流量關(guān)系主要受洪水漲落、斷面沖淤、洞庭湖回水頂托影響，關(guān)系曲線呈不規(guī)則的繩套關(guān)系。2009年藕池（管）站以其上游23.8km處長(zhǎng)江干流新廠（二）站和其下游約51.0 km的南縣（羅文窖）站為綜合落差輔助站，按單值化方案布置測(cè)次。2014年因下游水利工程施工，嚴(yán)重影響藕池（管）站水位流量關(guān)系，2015年恢復(fù)連時(shí)序布置測(cè)點(diǎn)。2016年初施工完成，水利工程對(duì)測(cè)站特性的影響才逐漸減弱。

為恢復(fù)采用單值化方案布置測(cè)點(diǎn)，2016-2020年藕池（管）站采用連時(shí)序布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，現(xiàn)對(duì)已收集5年的水位流量資料重新進(jìn)行了單值化分析，得出符合規(guī)范要求的單值化方案，可以達(dá)到大幅度的減少流量測(cè)次，降低測(cè)驗(yàn)成本和職工勞動(dòng)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)智慧水文、和諧水文提供技術(shù)支撐。

2 水位～流量關(guān)系單值化方案確定

通過(guò)對(duì)藕池（管）站水位流量關(guān)系影響因素進(jìn)行分析，并結(jié)合測(cè)驗(yàn)河段上下游目前現(xiàn)有的水位站網(wǎng)布設(shè)情況，認(rèn)為藕池（管）站采用落差指數(shù)法[3-4]開(kāi)展水位流量單值化分析[5]比較合適，校正流量因素計(jì)算公式為

式中：q為校正流量因素；Qm為實(shí)測(cè)流量，m3/s；k1為流量改正系數(shù)；α為落差指數(shù)，k2為落差改正系數(shù)，Zm為綜合落差，m；Z0為本站水位，m；Z1為上游輔助站水位，m；B0為落差改正值。

2.1 輔助水尺的選擇

按現(xiàn)有水文站網(wǎng)布設(shè)情況，參考落差指數(shù)法單值化方案原理以及原單值化方案，選定上游23.8km的新廠（二）站、下游51.0km的南縣（羅文窖）站，組成不同的綜合落差進(jìn)行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，因南縣（羅文窖）站距離藕池（管）站距離較遠(yuǎn)以及下游分支交匯復(fù)雜，導(dǎo)致此下游輔助站不能較好反應(yīng)回水頂托的影響因素，代表性不足，故只選用新廠（二）站作為落差參證站。

2.2 分析資料的選用

分析資料選用藕池（管）站2016-2020年水位、流量實(shí)測(cè)資料和整編成果，總計(jì)340次實(shí)測(cè)流量。在樣本資料中實(shí)測(cè)最高水位39.05m，最低水位29.04m，實(shí)測(cè)最大流量3 340m3/s，最小流量-241m3/s，以及與之對(duì)應(yīng)的落差參證站實(shí)測(cè)水位資料。

2.3 改正系數(shù)和落差指數(shù)的確定

采用計(jì)算機(jī)編程程序，用試錯(cuò)法不斷調(diào)整參數(shù)，同時(shí)采用式（1）計(jì)算各實(shí)測(cè)流量對(duì)應(yīng)的校正流量，分年繪制水位～校正流量關(guān)系曲線，反復(fù)多次，直到各年水位～校正流量關(guān)系曲線均能夠滿足單一曲線定線要求，并通過(guò)3種檢驗(yàn)和年特征值誤差計(jì)算，包括符號(hào)檢驗(yàn)，適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)等，最終確定的參數(shù)值為k1=1，k2=1，B0=0.247，α=0.5。

藕池（管）站水位流量關(guān)系單值化（綜合落差指數(shù)法）方案最終為：

3 水位流量關(guān)系單值化方案精度分析

3.1 水位～校正流量關(guān)系

通過(guò)以上建立的水位～流量關(guān)系單值化方案，根據(jù)選用的資料分別計(jì)算藕池（管）站2016-2020年各年實(shí)測(cè)流量對(duì)應(yīng)的校正流量，繪制各年水位-校正流量關(guān)系曲線，并進(jìn)行3種檢驗(yàn)，各年定線精度如表1所示。

表1 藕池（管）站水位-校正流量關(guān)系曲線定線精度統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，藕池（管）站水位流量關(guān)系單值化方案定線精度均滿足水文巡測(cè)規(guī)范對(duì)一類精度巡測(cè)站所要求的標(biāo)準(zhǔn)（一類站水位流量關(guān)系采用單值化方法處理后系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值不大于2%，單值化關(guān)系線定線允許隨機(jī)不確定度高水不超過(guò)12.0%，中水不超過(guò)14%）。

3.2 整編成果精度分析

按照以上水位～流量關(guān)系單值化方案，采用南方片水文資料整編系統(tǒng)軟件，對(duì)藕池（管）站2016-2020年的資料重新進(jìn)行整編，推求各年流量整編成果。為了檢驗(yàn)藕池（管）站水位～流量關(guān)系單值化方案的推流精度，以藕池（管）站2016-2020年來(lái)采用的連時(shí)序法流量整編成果為標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算、統(tǒng)計(jì)各年單值化法與連時(shí)序法各項(xiàng)流量特征值誤差大小。

3.2.1 月、年平均流量對(duì)照

月、年平均流量方差分析見(jiàn)表2。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果得知，除部分月份因通斷流時(shí)期月平均流量基數(shù)太小引起的誤差較大外，各年其它月份平均流量特征值誤差較小（均控制在±5%以內(nèi)），與連時(shí)序推流成果相比無(wú)顯著性差異，各年、月特征值出現(xiàn)日期基本一致。年平均流量和年徑流量誤差均在±1%范圍內(nèi)，單值化方案整編成果精度較高。

表2 藕池（管）站月、年流量方差分析統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 年內(nèi)最大各日洪量對(duì)照

藕池（管）站連時(shí)序法與落差指數(shù)法整編最大各日洪量方差分析統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。年內(nèi)最大各日洪量誤差在-1.7%～3.8%之間，大于3.0%的洪量誤差出現(xiàn)1次，其它洪量誤差均在-1.7%～2.2%之間，從方差分析結(jié)果中可以看出，采用落差指數(shù)法求得洪量與連時(shí)序法相比無(wú)顯著性差異，能滿足流量資料整編要求。

表3 藕池(管)站最大各日洪量方差分析統(tǒng)計(jì)表

3.3 洪水過(guò)程分析

通過(guò)對(duì)2016-2020年連時(shí)序法和單值化方案推求的逐日平均流量過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D和最大洪水繩套曲線對(duì)照?qǐng)D進(jìn)行分析，以2020年為例，逐日平均流量過(guò)程線對(duì)照如圖2所示，最大洪水過(guò)程對(duì)照如圖3所示，典型洪水場(chǎng)次水位流量關(guān)系還原對(duì)照如圖4。通過(guò)2020年相關(guān)過(guò)程對(duì)照?qǐng)D可以看出，大部分時(shí)段連時(shí)序法和水位流量關(guān)系單值化方案推求的過(guò)程總體上對(duì)應(yīng)較好，但在某些時(shí)段不能很好的重疊，主要原因是采用連時(shí)序法繪制水位流量關(guān)系時(shí)是按時(shí)間和本站實(shí)測(cè)流量及水位變化推算，在定線推流時(shí)往往為追求曲線圓滑美觀，人為將線形合并，使日均流量平滑過(guò)渡，致使局部時(shí)段存在誤差。而采用水位流量關(guān)系單值化方案推流逐時(shí)綜合考慮了落差頂托因素的影響，更接近實(shí)際情況。

4 單值化方案應(yīng)用

該方案于2021年開(kāi)始投入使用，在布置測(cè)次時(shí)主要以水位的漲落幅來(lái)控制，并使?jié)q落水面測(cè)次分布均勻。單值化方案應(yīng)用滿足整編定線的精度要求，推流成果也達(dá)到水文資料整編規(guī)范[6]要求。

5 結(jié)論與建議

通過(guò)以新廠（二）站作為落差參證站對(duì)藕池（管）站2016-2020年實(shí)測(cè)流量進(jìn)行落差指數(shù)法[7]單值化方案處理后，各項(xiàng)誤差檢驗(yàn)結(jié)果均在誤差允許范圍之內(nèi)，精度分析滿足規(guī)范要求，因此本單值化方案可行，同時(shí)能夠大幅度減少流量測(cè)次，降低測(cè)驗(yàn)成本，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。但是當(dāng)發(fā)生特殊水情（如回水頂托嚴(yán)重）、防汛調(diào)度需要或測(cè)驗(yàn)河段水流特性發(fā)生重大改變時(shí)，該單值化使用效果欠佳，應(yīng)及時(shí)恢復(fù)連時(shí)序法布置流量測(cè)次。

因單一落差不能有效解決下游回水頂托及斷面沖淤變化對(duì)水位流量關(guān)系的影響，今后要進(jìn)一步結(jié)合下游輔助水位站資料，建立綜合落差關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)充分析，對(duì)本單值化方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。