荊江河段沙市(二郎磯)站水位流量關(guān)系單值化方案優(yōu)化分析

賀延虎

(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 434000)

0 引 言

目前，長(zhǎng)江干流宜昌站[1]、監(jiān)利(二)站[2]、螺山站[3]以及漢口站[4]等均采用綜合落差指數(shù)法開(kāi)展水位-流量關(guān)系單值化分析，效果較好。沙市(二郎磯)站是長(zhǎng)江中游干流重要控制水文站，水位流量關(guān)系主要受洪水漲落和河段沖淤影響，特殊年份局部時(shí)段受下游洪水頂托影響，水位流量關(guān)系較為復(fù)雜。2009年底，沙市(二郎磯)站采用落差指數(shù)法開(kāi)展水位-流量關(guān)系單值化方案[5](以下簡(jiǎn)稱“方案”)分析，并通過(guò)評(píng)審，于2010年正式使用，該方案使用至今(2020年)在流量報(bào)汛、測(cè)次布置、推流整編等方面得到較好的檢驗(yàn)。

隨著三峽水庫(kù)蓄水清水下泄，荊江河段河床下切明顯。沙市(二郎磯)站基本水尺斷面附近三八灘逐漸萎縮，大橋上游河段多年來(lái)持續(xù)進(jìn)行航道疏浚、引江濟(jì)漢分流等，導(dǎo)致河道水流情勢(shì)發(fā)生較大變化，目前沙市(二郎磯)站采用的單值化校正流量點(diǎn)逐年右偏，全年需采用多條單值化線以及過(guò)渡曲線才能滿足流量推算的要求，部分時(shí)段還需恢復(fù)連時(shí)序法布置測(cè)點(diǎn)、推流定線，造成測(cè)次布置時(shí)機(jī)難以掌握，工作量增加。因此，對(duì)沙市(二郎磯)站單值化方案進(jìn)行優(yōu)化分析是非常有必要的。

本文采用沙市(二郎磯)站2015～2020年水位、實(shí)測(cè)流量資料以及落差站水位資料，在原方案的基礎(chǔ)上，對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行試算優(yōu)選。試算過(guò)程中，未遵循“落差系數(shù)和等于1”，而是采用不同的權(quán)重配比，選取最優(yōu)的系數(shù)組合，確定了新的校正流量計(jì)算公式。本文采用新公式計(jì)算2015～2020年實(shí)測(cè)資料的校正流量，點(diǎn)繪水位校正流量關(guān)系線，進(jìn)行3種檢驗(yàn)和推流整編，并與原方案成果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證新公式的合理性。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

沙市(二郎磯)站位于湖北省荊州市沙市區(qū)二郎磯，設(shè)立于1933年1月，是沙市河段的水沙代表站，同時(shí)又是長(zhǎng)江中游干流的重要控制站和報(bào)汛站，對(duì)荊江地區(qū)防洪安全和防洪調(diào)度起到至關(guān)重要的作用。測(cè)驗(yàn)河段位于上荊江沙市河段?；舅呶挥谏呈卸纱?，上游1 300 m處建有荊州長(zhǎng)江公路大橋，左岸上游600 m處，17 km處，15 km處分別為觀音磯、沮漳河入?yún)R口和引江濟(jì)漢工程取水口。右岸上游約14 km有太平口分流，約13 km處有荊江分洪工程進(jìn)水閘。測(cè)流斷面設(shè)在沙市柳林洲，在基本水尺斷面下3 920 m處，位于長(zhǎng)約4 km的順直河段中部，測(cè)流斷面下游約3.6 km有金城洲。

沙市(二郎磯)站水位流量關(guān)系主要受上游來(lái)水、斷面沖淤和下游回水頂托影響，采用連時(shí)序法推流時(shí)，中高水期線型呈現(xiàn)典型的繩套狀，繩套寬窄幅度與洪水漲落率關(guān)系明顯，低枯水以單一線型為主。汛期河床沖淤變化較大，中高水主槽寬約1 170 m，深槽在起點(diǎn)距300～800 m間擺動(dòng)，斷面形狀年內(nèi)、年際均有一定變化。自2010年開(kāi)始，沙市(二郎磯)站水位流量關(guān)系采用落差指數(shù)法進(jìn)行單值化處理，處理方案適合該站應(yīng)用。隨著河段不斷沖刷，沙市(二郎磯)站上下游落差關(guān)系發(fā)生明顯變化，現(xiàn)有方案布置測(cè)次及定線推流時(shí)難度增加，2015年之后尤為明顯。

本文分析資料選用沙市(二郎磯)站2015～2020年水位、實(shí)測(cè)流量和整編成果，資料樣本中，2020年為豐水年份，2015年為枯水年份，其他年份為平水年份，資料代表性好；輔助水尺斷面選用上游約16.7 km處陳家灣水位站，下游約49.3 km處郝穴(二)水位站，分別反映上游太平口分流及洪水漲落和下游回水頂托影響因素。

2 研究方法

2.1 原方案

沙市(二郎磯)站優(yōu)化前的單值化方案為采用綜合落差指數(shù)法對(duì)實(shí)測(cè)流量進(jìn)行校正，其校正流量計(jì)算公式如下：

(1)

其中：

ΔZm=km1×ΔZm1+km2×ΔZm2

(2)

式中：q為校正流量，m3/s；Qm為實(shí)測(cè)流量，m3/s；k1為流量改正系數(shù)，取值1.0；k2為綜合落差改正系數(shù)，取值1.0；ΔZm為綜合落差，m；α為落差指數(shù)，取值0.55；ΔZm1為陳家灣水位落差，m；ΔZm2為郝穴水位落差，m；km1為陳家灣落差系數(shù)，取值0.215；km2為郝穴落差系數(shù)，取值0.787。

2.2 參數(shù)優(yōu)化

沙市(二郎磯)站上游陳家灣站至沙市(二郎磯)站水位落差在0.30～0.90 m之間，受洪水漲落和河段沖於變化影響，隨著水位上漲而減?。欢呈?二郎磯)站至下游郝穴站水位落差在1.40～2.80 m之間，受洪水漲落、河段沖於和下游頂托的共同作用，低水時(shí)隨著水位上漲而減小，中高水時(shí)規(guī)律不明顯。

本文在原方案的基礎(chǔ)上，選用沙市(二郎磯)站2015～2020年6 a的數(shù)據(jù)，綜合點(diǎn)繪水位校正流量關(guān)系圖，通過(guò)調(diào)整km1，km2，α的數(shù)據(jù)，尋找規(guī)律。在調(diào)整km1，km2時(shí)，打破以往“系數(shù)和等于1”的固定思維，使用不同的系數(shù)配比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)大上游陳家灣至沙市落差系數(shù)km1，km2保持不變，可以明顯修正系統(tǒng)偏離的水位校正流量點(diǎn)及突出點(diǎn)；反之則效果不明顯，且km1，km2在0.80和0.70左右，對(duì)水位校正流量點(diǎn)的修正效果更好。調(diào)整α值時(shí)發(fā)現(xiàn)，α值在0.38～0.45之間時(shí)，水位校正流量關(guān)系點(diǎn)呈單一線型效果最好。

初定k1=1.0，k2=1.0，km1=0.80，km2=0.70，α=0.38，對(duì)選用的2015～2020年數(shù)據(jù)分別計(jì)算校正流量，并點(diǎn)繪水位校正流量關(guān)系圖，計(jì)算定線標(biāo)準(zhǔn)差。通過(guò)對(duì)km1，km2，α進(jìn)行微調(diào)、試算、對(duì)比，最終確定km1=0.80，km2=0.70，而α=0.42時(shí)適用性更好。代入校正流量計(jì)算基本公式，確定新的單值化方案：

(3)

其中：

ΔZm=0.80×ΔZm1+0.70×ΔZm2

(4)

3 結(jié)果分析

3.1 誤差統(tǒng)計(jì)

采用優(yōu)化后方案重新計(jì)算沙市(二郎磯)站2015～2020年校正流量并定線，各年水位校正流量關(guān)系點(diǎn)明顯集中且成帶狀分布，優(yōu)化后的方案計(jì)算沙市(二郎磯)站水位校正流量關(guān)系點(diǎn)較優(yōu)化前更為集中，以2019年為例，如圖1所示。

圖1 2019年參數(shù)優(yōu)化前后水位校正流量關(guān)系點(diǎn)Fig.1 Relation points of water level and correction flow before and after parameters optimization in 2019

經(jīng)3種檢驗(yàn)，各年定線精度均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。檢驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化前方案進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從表1可以看出，優(yōu)化方案前后沙市(二郎磯)站水位流量關(guān)系單值化方案成果精度均達(dá)到或優(yōu)于SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》中水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)(一類精度水文站采用水力因素法的定線精度指標(biāo)為系統(tǒng)誤差不大于±2%，隨機(jī)不確定度不大于10%)。優(yōu)化前方案需要多條線，或是個(gè)別時(shí)段需要連時(shí)序法定線，才能滿足推流要求；優(yōu)化后方案定線數(shù)量少于優(yōu)化前，定線推流方法更為簡(jiǎn)單，水位校正流量關(guān)系曲線更為簡(jiǎn)潔。

表1 定線檢驗(yàn)誤差對(duì)比Tab.1 Comparison of relationship curve accuracy

3.2 月、年最大最小流量

對(duì)比沙市(二郎磯)站優(yōu)化前后方案推流成果，計(jì)算月、年的最大、最小流量相對(duì)誤差。

相對(duì)誤差=(優(yōu)化后流量-優(yōu)化前流量)/優(yōu)化前流量×100%

(7)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，月最大流量相對(duì)誤差在-4.1%～4.5%，在各流量級(jí)范圍基本呈均勻分布，且最大相對(duì)誤差出現(xiàn)在特殊水情(原方案中恢復(fù)了連時(shí)序定線或是采用過(guò)渡曲線推流)；月最小流量相對(duì)誤差在-6.2%～9.1%，大于±3%的主要出現(xiàn)在小流量級(jí)，即低、枯水期。年最大流量相對(duì)誤差在-3.0%～0.3%，年最小流量相對(duì)誤差在-2.9%～4.0%，誤差較小，說(shuō)明優(yōu)化后的單值化方案推流成果可靠，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2～3。

表2 參數(shù)優(yōu)化前后月、年最大最小流量誤差(2015～2017年)Tab.2 Errors of maximum and minimum monthly and annual discharge before and after parameters optimization from 2015 to 2017

表3 參數(shù)優(yōu)化前后月、年最大最小流量誤差(2018～2020年)Tab.3 Errors of maximum and minimum monthly and annual discharge before and after parameters optimization from from 2018 to 2022

3.3 年內(nèi)最大各日洪量

參照逐日平均流量表，對(duì)優(yōu)化前后沙市(二郎磯)站方案推流成果中最大洪量統(tǒng)計(jì)分析，選取最大1 d，3 d，7 d，15 d，30 d，60 d最大洪量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算相對(duì)誤差。

相對(duì)誤差=(優(yōu)化后洪量-優(yōu)化前洪量)/優(yōu)化前洪量×100%

(8)

表4統(tǒng)計(jì)了最大各日洪量誤差，2020年為豐水年，各日最大洪量相對(duì)誤差在-1.1%～0.6%之間。2015年為枯水年，各日最大洪量相對(duì)誤差在-1.1%～1.3%之間。2016～2019年平水年份，各日最大洪量相對(duì)誤差在-2.7%～1.2%之間，且相對(duì)誤差超過(guò)±2.0%時(shí)均出現(xiàn)在1 d和3 d基數(shù)較小的洪量級(jí)。

表4 最大各日洪量誤差Tab.4 Errors of maximum flood volume

綜合分析，優(yōu)化后方案相對(duì)優(yōu)化前方案推求的各日最大洪量誤差較小，說(shuō)明優(yōu)化后的方案推流成果可靠。

3.4 年最大洪水過(guò)程線

選取2018年7月2日8：00至7月23日8：00年最大洪水，點(diǎn)繪方案優(yōu)化前后沙市(二郎磯)站推流還原的洪水過(guò)程線圖進(jìn)行對(duì)照。如圖2所示，過(guò)程線對(duì)應(yīng)較好，大部分時(shí)段洪水過(guò)程線基本吻合，無(wú)系統(tǒng)偏離或是局部突出點(diǎn)，表明優(yōu)化前后方案推求的洪水過(guò)程保持較好的相應(yīng)性和完整性。

圖2 2018年最大洪水過(guò)程線Fig.2 Maximum flood process lines in 2018

4 結(jié) 論

本文通過(guò)優(yōu)化了沙市(二郎磯)站水位流量單值化方案，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的方案穩(wěn)定性和通用性較好，可滿足各年使用。優(yōu)化后方案水位校正流量關(guān)系點(diǎn)更為集中，定線更簡(jiǎn)潔。說(shuō)明沙市(二郎磯)站流量測(cè)驗(yàn)和資料整編可以按照優(yōu)化后的沙市(二郎磯)站水位流量關(guān)系單值化方案來(lái)完成。使用優(yōu)化后方案開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)和整編時(shí)，遇到特殊水情或是汛前、汛后斷面發(fā)生較大的沖淤變化的情況時(shí)，水位校正流量點(diǎn)距出現(xiàn)明顯系統(tǒng)偏離，需要對(duì)系統(tǒng)偏離時(shí)段加密測(cè)次，單獨(dú)繪制水位校正流量關(guān)系曲線或是采用分線處理，從而確保流量成果的精度。目前，沙市(二郎磯)站測(cè)驗(yàn)斷面沖淤變化還未穩(wěn)定，此次分析資料高水部分稍有欠缺，優(yōu)化后方案依然存在局限性，后期還需進(jìn)一步分析。