梁山閘水文站水位流量關(guān)系分析研究

梁法陽，李 棟，王洪濤，邵志恒

（濟(jì)寧市水文中心,山東 濟(jì)寧 272000）

1 目的和意義

隨著近幾年來城市發(fā)展,城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,為了改善供水和生態(tài)旅游環(huán)境保護(hù)等,一些地方在城鎮(zhèn)附近的河流上相繼興建橡膠壩、攔河閘等水利工程用以滿足環(huán)境保護(hù)蓄水及防汛、生態(tài)流量調(diào)度的需要,上下游閘壩時(shí)常變動(dòng),調(diào)度時(shí)間短,斷面水位相應(yīng)波動(dòng),在此過程中水位變幅一般較大,歷時(shí)太短,測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)稍縱即逝,雖能搶測(cè)到部分流量過程,但測(cè)驗(yàn)誤差往往偏大,搶測(cè)洪峰流量困難,使水文站水文測(cè)驗(yàn)受到較大影響,如果直接采用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行整編,水量誤差必然偏大,一定程度上還會(huì)影響整編成果質(zhì)量。

受水利工程調(diào)蓄影響,一年中大部分流量測(cè)次并不是出現(xiàn)在洪水或天然來水期間,而是出現(xiàn)在上游水庫和攔河閘壩放水期間。但有時(shí)水利工程影響的只是測(cè)驗(yàn)條件,并未真正影響斷面水位流量關(guān)系的穩(wěn)定,單純通過增設(shè)測(cè)驗(yàn)斷面,增加流量測(cè)次,無法從根本上解決受工程影響的水文測(cè)驗(yàn)問題。必須深入分析測(cè)站特性,研究受工程影響下測(cè)站水位流量關(guān)系及其變化規(guī)律,及時(shí)調(diào)整測(cè)驗(yàn)整編方法,才能不斷提高工作質(zhì)量和效率。

以2021年為例,梁山閘年內(nèi)開啟次數(shù)40 余次,全年共施測(cè)流量95 次,其中出現(xiàn)在上游攔河閘壩放水期間施測(cè)流量達(dá)86 次。因此,通過實(shí)測(cè)流量資料建立水位流量關(guān)系歷年綜合線,根據(jù)水位推求流量,是解決當(dāng)前測(cè)驗(yàn)難度大、任務(wù)重,整編精度低等問題的關(guān)鍵,既解放了勞動(dòng)力,又提高工作質(zhì)量和效率。

2 測(cè)站情況

梁山閘水文站位于山東省嘉祥縣紙坊鎮(zhèn)梁山閘,1974年1 月由山東省水文總站設(shè)立,現(xiàn)由山東省水文中心管理。集水面積4236 km2,是洙趙新河干流重要控制站,也是國(guó)家重要水文站。詳見測(cè)站沿革,見表1。

表1 梁山閘站測(cè)站沿革表

2019年測(cè)站下游14 km 范圍內(nèi)新建橡膠壩1 座,2020年6 月完成河道清淤工程與梁山閘重建工程,新閘設(shè)計(jì)15 孔平板閘門,設(shè)計(jì)流量1750 m3/s,設(shè)計(jì)閘上、下保證水位38.96 m、38.78 m。

3 測(cè)驗(yàn)斷面情況

測(cè)驗(yàn)河段順直,順直段長(zhǎng)度約600 m,梁山閘站測(cè)驗(yàn)河段順直,長(zhǎng)度600 m,有閘下270 m 橋流速儀測(cè)流斷面與閘下529 m 基本水尺斷面兼纜道流速儀測(cè)流斷面兩處測(cè)流斷面。閘上基本水尺斷面位于閘上70 m 處,130m 處有一處轉(zhuǎn)彎,角度約150°,主槽寬約174 m~185 m,河床為沙壤土組成。

4 洪水特征

洙趙新河屬湖西平原坡水河道,地面坡度平緩,流域內(nèi)多年平均降雨量為641 mm,豐水年（2021年）降雨量為1134 mm,枯水年（1988年）僅為358.6 mm。受季風(fēng)的影響,降雨量年內(nèi)變化較大,汛期6 月~9 月份約占全年降雨的70%,降雨集中、強(qiáng)度大、范圍廣,洪水歷時(shí)長(zhǎng),河道洪水峰低量大,降雨走向一般是自西向東,順?biāo)鞣较?形成洪峰迭加,加重了本流域的洪澇災(zāi)害。1974年以來最大流量前3 位分別為913 m3/s（1978年7 月3 日）、583 m3/s（2006年8 月24 日）、562 m3/s（2021年9 月26 日）。閘上、閘下最高水位均出現(xiàn)在1993年8 月6 日,分別為37.84 m、37.83 m,實(shí)測(cè)最大洪峰流量400 m3/s。

2021年汛期過后,梁山閘水文站對(duì)近幾年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行認(rèn)真分析,結(jié)合測(cè)站控制特性及上下游水利工程情況,以水力因素法為基礎(chǔ)建立本站水位流量關(guān)系歷年綜合線。

5 測(cè)站控制分析與水位（流量）級(jí)劃分

5.1 測(cè)站控制與水位流量關(guān)系穩(wěn)定性分析

梁山閘站斷面水位與流量關(guān)系主要靠梁山閘閘門作用來控制,水位與流量關(guān)系較為穩(wěn)定,2019年,下游14 km 處建成1 座橡膠壩,受橡膠壩生態(tài)蓄水影響,流量下泄受阻,對(duì)原水位流量關(guān)系產(chǎn)生了一些影響,但仍受堰閘斷面控制。

梁山閘站閘上、閘下基本水尺斷面分別設(shè)在堰閘控制斷面上游80 m、下游529 m 處,閘上控制斷面與水尺斷面間落差較小,閘上基本水尺斷面處水位變化能夠代表閘上水頭變化情況?；舅邤嗝婧涂刂茢嗝嬷g無其他匯水,控制斷面過水流量亦可代表水尺斷面流量,即使水尺斷面略有沖淤變化,只要控制斷面不變,水位與流量關(guān)系仍基本不變,面積的變化可為流速的變化所補(bǔ)償。

5.2 水位（流量）級(jí)劃分

由于梁山閘站水位流量關(guān)系主要受梁山閘閘門作用控制,根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）4.4.3 規(guī)定,當(dāng)測(cè)站水位受工程影響嚴(yán)重時(shí),可采用頻率流量進(jìn)行流量劃分,故本次分析首先采用頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分。

根據(jù)本站歷年年最大流量計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取頻率為90%所對(duì)應(yīng)的流量為高水流量。

考慮到水位（流量）級(jí)的劃分對(duì)流量測(cè)次布置、單次流量測(cè)驗(yàn)精度評(píng)定、整編誤差評(píng)定、單值化處理以及測(cè)洪方案編制等工作中有著重要的作用,因此同時(shí)依據(jù)年降水量、徑流量和流量資料進(jìn)行分析,同時(shí)充分考慮本站近兩年流量測(cè)驗(yàn)現(xiàn)狀,包括儀器設(shè)備、測(cè)驗(yàn)斷面、測(cè)洪能力、實(shí)測(cè)流量等,最終確定高水流量為304 m3/s,中水流量為76.5 m3/s,低水流量為18.5 m3/s。當(dāng)Q ≥304 m3/s 時(shí),為高水期；76.5 m3/s ≤Q<304 m3/s 時(shí),為中水期；18.5 m3/s ≤Q<76.5 m3/s 為低水期；Q<18.5 m3/s 時(shí)為枯水期。

6 實(shí)測(cè)資料選取

梁山閘站水文測(cè)驗(yàn)和資料整編均嚴(yán)格按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）和《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）

執(zhí)行,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,經(jīng)合理性檢查和各要素對(duì)照檢查,收集的資料合理、真實(shí)、精度可靠,無遺留問題。且每年資料均經(jīng)濟(jì)寧市水文中心和山東省水文中心逐級(jí)審查、復(fù)審、匯編、刊印,資料具備較好的可靠性、一致性、代表性。

截至2021年12 月,本站共實(shí)測(cè)流量116 次,全部采用走航式ADCP 施測(cè),流態(tài)均為淹沒式孔流。實(shí)測(cè)最大流量562 m3/s,相應(yīng)水位35.66 m,實(shí)測(cè)最小流量4.76 m3/s,相應(yīng)水位34.12 m。實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)涵蓋高、中、低、枯各級(jí)水位。

根據(jù)梁山閘流量流態(tài)均為淹沒孔流這一實(shí)際情況,決定選用淹沒孔流通用流量計(jì)算公式Q = MBeΔZ 計(jì)算率定梁山閘閘孔過水流量,即《水文資料整編規(guī)范》中6 號(hào)公式,其中淹沒孔流流量系數(shù)M采用實(shí)測(cè)流量推求所得數(shù)據(jù)。

7 水位流量關(guān)系定線

7.1 水力因素法定線

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》中6 號(hào)公式Q = MBeΔZ 計(jì)算實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)相應(yīng)的流量系數(shù)M2。本次分析相關(guān)因素值介于0.444~24.4 之間,為淹沒式孔流流態(tài),流量Q 隨閘門啟閉的變化而變化,e/ΔZ 與流量系數(shù)M2之間具有穩(wěn)定的關(guān)系。以相關(guān)因素e/ΔZ 為縱坐標(biāo),流量系數(shù)M2為橫坐標(biāo),通過點(diǎn)群中心定出一條e/ΔZ~M2關(guān)系曲線,見圖1。

圖1 梁山閘水文站e/ΔZ~流量系數(shù)M2 關(guān)系曲線

從圖中可以看出,實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)較為均勻的分布于曲線兩側(cè),無系統(tǒng)偏離,曲線下部向左彎曲,上部隨著e/ΔZ 的增加,M2值相應(yīng)增大,符合淹沒式孔流流e/ΔZ~M2關(guān)系曲線線型。

7.2 流量系數(shù)合理性分析

按照《水文資料整編規(guī)范》要求,對(duì)關(guān)系曲線做符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)。

符號(hào)檢驗(yàn)公式：

式中：u 為統(tǒng)計(jì)量；n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k 為正號(hào)和負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)；p、q 為正、負(fù)號(hào)概率,各位0.5；*為連續(xù)改正數(shù)（離散型轉(zhuǎn)換為連續(xù)性）。

適線檢驗(yàn)公式：

式中：u 為統(tǒng)計(jì)量；n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；k 為變換符號(hào)次數(shù),k<0.5（n-1）時(shí)做檢驗(yàn),否則不作此檢驗(yàn)；p、q 為變換,不變換符號(hào)的概率,各為0.5。

偏離檢驗(yàn)公式：

式中：t 為統(tǒng)計(jì)量；p 為平均相對(duì)偏差值；Sp為p 的標(biāo)準(zhǔn)差；s 為p 的標(biāo)準(zhǔn)差；n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)；pi為測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值。

梁山閘水文站為三類精度站,流量測(cè)驗(yàn)以流速儀和走航式ADCP 為主,依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）表3.3.2-1 的規(guī)定,三類精度水文站水力因素與流量系數(shù)關(guān)系定線精度指標(biāo)為：系統(tǒng)誤差≤3%,隨機(jī)不確定度≤15%。三種檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果,見表2。

表2 梁山閘水文站e/ΔZ~流量系數(shù)M2 關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

經(jīng)計(jì)算,上述三種檢驗(yàn)結(jié)果均接受原假設(shè),定線系統(tǒng)誤差-0.1%,隨機(jī)不確定10%,均符合規(guī)范要求,定線正確、可靠。同時(shí)參考《水力學(xué)》教材及相關(guān)理論研究成果,經(jīng)計(jì)算,當(dāng)e/ΔZ ≤1.11 時(shí),水力因素法定線成果中M2取值范圍為1.77~3.10；當(dāng)1.11 ≤e/ΔZ<14.3,M2取值范圍為3.10~3.65,當(dāng)14.3

綜上所述,認(rèn)為本次擬定的梁山閘站e/ΔZ~M2線合理、準(zhǔn)確、可靠,可以作為水位流量關(guān)系歷年綜合線使用,能夠滿足逐日流量和相關(guān)流量特征值的推求。

8 結(jié)論

通過對(duì)梁山閘水文站2019年~2021年的實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行分析,根據(jù)水力因素法擬定出流量系數(shù)與相關(guān)因素關(guān)系曲線,并對(duì)求得的流量系數(shù)進(jìn)行合理性分析。在水力因素法分析的基礎(chǔ)上,擬定出本站水位流量關(guān)系歷年綜合線,經(jīng)計(jì)算,曲線均通過三種檢驗(yàn),隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差均符合《水文資料整編規(guī)范》（SL 247-2012）表3.3.2-1 的規(guī)定,經(jīng)過進(jìn)一步合理性分析認(rèn)為本次定線成果合理、準(zhǔn)確、可靠,能夠用于逐日流量和相關(guān)流量特征值的推求。水位流量關(guān)系歷年綜合線具體使用范圍為：相關(guān)因素值在0.444~24.4（相應(yīng)流量0~562 m3/s）。

通過實(shí)測(cè)流量資料建立水位流量關(guān)系歷年綜合線,根據(jù)水位推求流量,是解決當(dāng)前梁山閘水文站中、低水及枯水期測(cè)驗(yàn)難度大、任務(wù)重以及攔河閘壩變動(dòng)期間流量整編精度偏低等現(xiàn)實(shí)問題的關(guān)鍵。

與此同時(shí),測(cè)站將繼續(xù)積累高精度的實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù),以確保實(shí)測(cè)流量資料的代表性,進(jìn)而不斷修正現(xiàn)有歷年綜合線；當(dāng)相關(guān)因素值或流量超過歷年線使用范圍時(shí),應(yīng)按測(cè)站特性布置流量測(cè)次,采用實(shí)測(cè)流量定線推流。