干流水位頂托影響下的支流水位～流量關(guān)系探索

梁秀日方，邱天堯

（松遼水利委員會水文局黑龍江中游水文水資源中心，黑龍江 佳木斯 154000）

0 引言

洪水頂托是指洪水運動波在河道傳播過程中，遇到某種阻礙后向上游反射的一種水文現(xiàn)象[1]。一般表現(xiàn)為流速減小，水位頂托壅高，泥沙淤堵、水流倒灌等。

水位～流量關(guān)系是根據(jù)河道某一斷面多次實測流量與同時水位資料進行水文資料整編得到的兩者之間對應(yīng)關(guān)系，通常用以水位為縱坐標、流量為橫坐標的“水位～流量關(guān)系曲線”來表示。

水位～流量關(guān)系是水文計算、洪水預(yù)報的重要依據(jù)，在水文預(yù)報、水文計算、水利管理工作中常用來進行水位、流量間的換算。有了可靠的水位～流量關(guān)系，不僅可以在減少流量測驗次數(shù)的情況下，滿足水文測驗規(guī)范要求的精度，有效控制水位～流量過程，還可以通過水位流量關(guān)系推算、預(yù)報出需要的水位、流量數(shù)據(jù)，供水文計算、洪水預(yù)報、防汛調(diào)度分析使用，因此，水位流量關(guān)系具有重要的實用意義。

無支流匯入的單一河道，一般水位～流量關(guān)系較為穩(wěn)定，通過對系列水文測驗數(shù)據(jù)的整編，可以得出單一的線性水位～流量關(guān)系曲線，作為水文資料統(tǒng)計、洪水預(yù)報、防洪減災(zāi)決策的重要數(shù)據(jù)支撐。但通常情況下，干流會有多條支流匯入，匯合點附近受干、支流回水互相頂托影響，水位～流量關(guān)系錯綜復(fù)雜，給水情預(yù)報工作帶來很大的困擾，通過對干、支流回水頂托影響規(guī)律分析，建立頂托影響下的水位～流量關(guān)系，是洪水預(yù)報工作需要解決的一個重要問題。

1 區(qū)域概況

以我國東北地區(qū)某干、支流匯合區(qū)域（簡稱H～W 區(qū)域）為研究對象，該區(qū)域為干流H 江與支流W江的匯合區(qū)域。H江與W江分別設(shè)有水文站（A，B），所設(shè)水文站與匯合口均有一定距離，匯合口處無水文監(jiān)測站點。由于H江與W江的水量、地勢及來水條件不同，致使支流W江匯入時經(jīng)常受到干流H 江高水位阻擋，流速減小，改變原來的水體運動及河床演變規(guī)律，引起水位壅高，形成頂托，致使泥沙沉積加大，甚至河水倒灌等水沙災(zāi)害，造成W江沿岸農(nóng)作物欠收或絕產(chǎn)、道路受損交通中斷、房屋建筑物損毀及其他財產(chǎn)損失等。因此，總結(jié)分析H 江對W 江洪水頂托規(guī)律，在今后的洪水預(yù)報、防洪調(diào)度、防汛搶險等工作中意義重大。

總結(jié)分析H 江對W 江的洪水頂托規(guī)律，通常需要兩個水文站及匯合口處控制斷面的系列水文測驗資料來進行對比、演算、分析，從中查找規(guī)律。由于匯合口處沒有水文監(jiān)測站點，不具備開展流量測驗的客觀條件，無法取得兩江匯合后的水位、流量數(shù)據(jù)，目前只能通過兩個水文站現(xiàn)有的水文資料來查找、推斷、分析H 江對W 江的洪水頂托影響規(guī)律。

2 分析目標

以設(shè)在W 江水文站（B）斷面水位～流量關(guān)系為分析目標，探索其受H 江水位頂托帶來的影響變化。2019 年，H 江發(fā)生較大洪水，B 水文站斷面上游來水量較小且水量相對穩(wěn)定，但B 水文站水位卻持續(xù)上漲，幅度很大，且較長時段內(nèi)處于高水位狀態(tài)，水位～流量關(guān)系曲線很不穩(wěn)定，關(guān)系線多次發(fā)生反曲、逆時針繩套現(xiàn)象，這種水位升高現(xiàn)象不是源于上游來水，而是由于下游兩江匯合處水流受干流高水位洪水頂托，下行受阻后向上游反射引起的水流頂托壅高，是非常典型的干流頂托支流案例。選取2019 年6—9 月，A，B 兩個水文站斷面水位～流量關(guān)系數(shù)據(jù)資料進行分析，其間B水文站共計開展流量測驗35 次，采用實際測驗所得數(shù)據(jù)繪制得出水位～流量關(guān)系圖，如圖1 所示，圖1 中1～8 點依次表示B 水文站斷面水位～流量關(guān)系點隨時間發(fā)生變化的順序過程；采用A 水文站水位和時間數(shù)據(jù)繪制水位～時間關(guān)系圖，如圖2所示，圖2 中1～9 點表示水位節(jié)點。

圖2 H 江A 水文站 時間～水位關(guān)系圖

3 頂托規(guī)律分析

此次通過分析水位、流量漲落關(guān)系的同步性（無頂托時應(yīng)為單一線性關(guān)系），查找與無頂托情況下單一線性關(guān)系產(chǎn)生較大偏移的時間段，進一步判斷是否存在頂托現(xiàn)象。對圖1、圖2 進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，兩個水文站雖然不在同一條河流，但B 水文站流量受頂托影響產(chǎn)生繩套曲線的時間和變化過程與A 水文站時間～水位變化存在一定的關(guān)聯(lián)。

選取圖1 中“1—2”段、“2—3”段、“3—4”段幾個典型時段進行分析，嘗試從3 個方向進行分析探索W 江受H 江高水位頂托情況，進一步總結(jié)洪水頂托規(guī)律。

3.1 分析A 水文站水位臨界值（HA）

1）圖1 中“1—2”段，水位～流量關(guān)系穩(wěn)定，呈單一線性，流量隨水位變化比（關(guān)系線斜率）K1約為10.55，此時段W 江B 水文站斷面水位沒有受到頂托，或頂托很小可以忽略。圖1 中“1—2”段，在時間上與圖2 中“3—4”段相對應(yīng)。

2）圖1“2—3”段中，B 水文站斷面水位下降緩慢，變幅較小，同時段相應(yīng)流量卻急劇減小，變幅較大，特別是“點2”附近時段出現(xiàn)了水位上漲、流量卻減小的現(xiàn)象，即流量變化率為負、水位變化率為正，流量隨水位變化比K2約為86.92，與不受頂托情況下的單一關(guān)系線斜率出現(xiàn)較大偏差，水位～流量關(guān)系線開始出現(xiàn)反曲、逆時針繩套形態(tài)。此時間段水位～流量關(guān)系線斜率與不受頂托情況下的關(guān)系線斜率比值K2/K1為8.24%。這種現(xiàn)象表明，B水文站斷面此時段內(nèi)水流下行受阻，受到頂托影響，流速減小，致使水位雍高，水位雍高高度隨受頂托程度變化而變化。

由以上兩種情況推斷，在A 水文站斷面存在一個頂托水位臨界值HA，當A 水文站水位低于這個臨界值以下時（圖2 中“3—4”段），H 江對W 江不產(chǎn)生頂托，或頂托影響很小可以忽略；當A 水文站斷面水位達到這個臨界值HA時（約在圖2 中“點4”位置），H 江對B 水文站斷面水位開始產(chǎn)生頂托影響，如圖1 中“2—3”段。由于A，B 兩站距離匯合口處均有一定距離，B 站受到頂托影響的時間比圖2 中“點4”時間延后，具體延后時長受兩江來水條件等因素影響，需要通過多年實測水文資料數(shù)據(jù)來進行分析、總結(jié)。

3.2 分析兩個水文站斷面水位高差的頂托臨界值( HAB)

圖2 中“4—5”段，水位為持續(xù)上漲過程，且高于HA，B 水文站斷面與此時間段相對應(yīng)的圖1 中“3—4”段卻開始大體呈線性趨勢，水位～流量關(guān)系關(guān)系斜率K3約為17.96，與不受頂托情況下的水位～流量關(guān)系線偏移程度越來越小，最后趨于一致。這種現(xiàn)象說明，B 水文站斷面在該時段內(nèi)水體下行運動受H 江水位頂托影響越來越小，甚至趨近于無頂托。此時間段水位～流量關(guān)系線斜率與不受頂托情況下的關(guān)系線斜率比值K3/K1為1.70 % 。形成這種現(xiàn)象的原因考慮是B 水文站斷面水位在此前受H 江的持續(xù)頂托下，水位不斷雍高，與A 站水位高差逐漸縮小，隨著兩江水位高差逐漸縮小，H 江對W 江的水位頂托影響也逐漸減小，當兩江水位高差縮小到某一數(shù)值時，H 江對W江水位不再形成頂托，或頂托很小可以忽略。這個數(shù)值在本文中定義為兩個水文站斷面水位高差的頂托臨界值HAB，即當H 江A 水文站斷面水位高于HA，但兩個水文站斷面水位高差低于HAB以下時，B 水文站斷面水位～流量不受頂托影響，呈單一線性關(guān)系。

3.3 分析兩個水文站流量比

選取兩個水文站測驗斷面2019 年6—9 月實測水文資料，計算B 水文站水位頂托壅水高度、A和B 兩個斷面流量比值，并分析變化過程，對比分析不同時期兩個水文站流量比(QB/QA)變化，可以得出兩站流量比均小于1，且流量比越小，B 站受頂托越嚴重，頂托壅水高度越高。B 站、A 站峰現(xiàn)時間相差約7 d。

4 結(jié)語

通過以上分析找到準確的各關(guān)鍵臨界值，就可以在減少B 水文站的流量測驗次數(shù)情況下，滿足水文測驗規(guī)范要求的精度，有效控制B 水文站水位～流量過程，減輕該站水文測驗工作壓力，節(jié)約經(jīng)濟成本，更重要的是可以進行水文計算、提高洪水預(yù)報精度，為防汛調(diào)度、防洪決策提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

目前受實測水文數(shù)據(jù)資料年限和代表性、分析方法及洪水頂托現(xiàn)象本身的復(fù)雜性、不確定性的影響，所得結(jié)論難免存在一定的局限性和不確定性。要想驗證以上分析方向正確，并找到準確的各關(guān)鍵頂托臨界值，還需要積累兩江更多年份洪水資料，從中選取代表性數(shù)據(jù)，有針對性地進行分析、總結(jié)、驗證。有條件的情況下，引入兩江匯合口處水位、流量數(shù)據(jù)資料，進行綜合分析，更有利于提高此項探索工作的效率，提高結(jié)論的精度。