某閘水文站水位流量關(guān)系單值化分析

張定凱

（廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000）

水文站是監(jiān)測和記錄河流或水域水文數(shù)據(jù)的關(guān)鍵設(shè)施，其中水位和流量數(shù)據(jù)是了解水文特性和水資源管理的重要組成部分。水位與流量之間的關(guān)系對于預(yù)測洪水、管理水庫和評估水資源的利用具有重要意義。為了更好地應(yīng)用水文數(shù)據(jù)，需要建立水位流量關(guān)系曲線，以便將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為流量值。本研究旨在通過對某閘水文站的水位流量關(guān)系進行單值化分析，探索水文站的水文特性，為相關(guān)應(yīng)用提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

在該河流域中，某水文站進行多項觀測項目，包括水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、水溫、降水、水面蒸發(fā)、氣溫和水質(zhì)監(jiān)測等。這些豐富的觀測數(shù)據(jù)為相關(guān)人員提供了深入了解該地區(qū)水文情況的機會。通過對這些數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，能夠更好地把握河流的特征和行為。

此外，某水庫位于某渠首上游約400 米處，這是一個關(guān)鍵的位置，因為該區(qū)域沒有支流的匯入或引蓄水工程。因此，可以直接依賴某渠首斷面的實測徑流資料來計算壩址處的徑流情況。這種數(shù)據(jù)的可靠性對于水庫設(shè)計和管理至關(guān)重要，確保了有準(zhǔn)確的依據(jù)來預(yù)測水庫的水量和水位。

另外，考慮到1958 年至1963 年是豐水年，還將某站的數(shù)據(jù)作為參證站，用以插補和延長某河的徑流資料。這種數(shù)據(jù)插補的方法能夠填補歷史數(shù)據(jù)的空白，從而更好地了解某河的徑流情況，包括干旱期和濕潤期的變化趨勢。這對于未來的水資源規(guī)劃和管理至關(guān)重要，因為它提供了更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于更好地應(yīng)對水資源管理的挑戰(zhàn)。

綜合而言，這些水文觀測數(shù)據(jù)不僅有助于了解河流的水文特征，還為水資源管理提供了寶貴的信息。通過數(shù)據(jù)的收集、分析和插補延長，能夠更好地應(yīng)對未來的水資源管理挑戰(zhàn)，確保水資源的可持續(xù)利用。

1.2 實測值修正法

實測值修正法是一種通過對已有測量數(shù)據(jù)進行調(diào)整和校正的方法，以減小測量誤差并還原真實情況。對于洪水期的情況，可以采用適當(dāng)?shù)男拚椒ǎ紤]引水渠首的規(guī)模限制和干渠斷面的沖淤變化，對測量數(shù)據(jù)進行修正，以還原實際的流量情況。這樣可以提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為水資源管理和工程規(guī)劃提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在某水管站的測流斷面位于引水干渠中，該斷面內(nèi)部采用了襯砌結(jié)構(gòu)，利用水位和流量之間的關(guān)系來推算河道的來水情況。在平水期和枯水期，河道的流量較小，干渠斷面相對穩(wěn)定，因此測量數(shù)據(jù)的精度較高。然而，在洪水期，由于引水渠首的規(guī)模限制，無法測量到全部流量，并且干渠斷面會頻繁發(fā)生沖淤變化，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的精度受到限制。因此，在這種情況下，需要進行實測值的修正和還原計算，以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

在選取參證站時，考慮到某站位于河流出山口處。因此，某站被選定為徑流修正的參證站。通過與某水文站連續(xù)實測徑流系列的年內(nèi)平均分配情況對某河洪水期的徑流進行修正。這里采用水文比擬法來進行修正計算，公式（1）用于計算修正后的徑流量。

其中，Qcorrected表示修正后的徑流量，Qcardlungur表示某水文站洪水期實測徑流量，C 表示某河洪水期實測徑流量的年內(nèi)平均分配比或修正系數(shù)。

修正系數(shù)C 可以根據(jù)某水文站連續(xù)實測徑流系列的數(shù)據(jù)計算得出，它表示某河洪水期徑流相對于某水文站洪水期徑流的比例或分配關(guān)系。通過比較和匹配洪水期徑流數(shù)據(jù)，確定修正系數(shù)C，可以準(zhǔn)確地修正某河洪水期徑流量，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

具體的修正系數(shù)C 的計算方法會根據(jù)實際數(shù)據(jù)和研究對象的特點而有所不同，需要根據(jù)具體情況進行計算和分析，以得到準(zhǔn)確的徑流修正結(jié)果。

對于某水管站而言，其平枯水期流量的測驗精度較高，滿足水文觀測規(guī)范的要求，因此可以利用平枯水期的徑流資料來計算修正系數(shù)n 的值，此處n 的值為1.19。參照某水文站多年實測徑流資料，通過進行還原計算，得到某水管站處多年平均徑流量為411 萬m3。這樣修正后的徑流數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，可為水資源管理和工程規(guī)劃提供可靠的依據(jù)。

1.3 徑流深等值線法

根據(jù)平均徑流深等值線圖，可以獲取某河所在流域的年平均徑流深度信息。根據(jù)該信息，結(jié)合某水庫壩址斷面以上的集水面積為21.1km2，可以利用徑流深等值線法來計算壩址處的多年平均徑流量。

徑流深等值線法是一種常用的方法，用于根據(jù)徑流深度的分布情況來估算流域的徑流量。根據(jù)式（2），可以計算壩址斷面處的多年平均徑流量，公式如下：

其中，Qavg 表示多年平均徑流量，A 表示壩址斷面以上的集水面積，P 表示年平均徑流深度。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，代入相應(yīng)數(shù)值進行計算，即可得到壩址處的多年平均徑流量。

徑流深等值線法可以在缺乏直接徑流觀測數(shù)據(jù)的情況下，通過對流域徑流深度分布的分析和推算，提供對流域徑流量的估計。它在水資源研究和水文模擬中具有一定的應(yīng)用價值，可以為水庫規(guī)劃和水資源管理提供參考依據(jù)[1]。

1.4 徑流模數(shù)法

根據(jù)流域相似原則，采用徑流模數(shù)法來計算某水庫壩址斷面處的多年平均徑流量。

徑流模數(shù)法是一種常用的水文計算方法，通過建立流域的徑流模數(shù)，即單位面積的徑流量與有效降雨量之間的關(guān)系，來估算流域的徑流量。根據(jù)式（3），可以計算壩址斷面處的多年平均徑流量，公式如下：

其中，Qavg 表示多年平均徑流量，M 表示徑流模數(shù)，P 表示年平均降雨量。通過選取某站作為參證站，可以獲取相應(yīng)的徑流模數(shù)M，然后結(jié)合年平均降雨量數(shù)據(jù)，代入公式進行計算，即可得到壩址處的多年平均徑流量。

徑流模數(shù)法是一種基于統(tǒng)計和模型的方法，適用于缺乏直接徑流觀測數(shù)據(jù)的情況。通過考慮流域特征和參證站數(shù)據(jù)，它可以提供對流域徑流量的估計。在水文研究和工程規(guī)劃中具有一定的應(yīng)用價值，可用于水資源評估和水文模擬等方面。

通過綜合運用這些方法，并進行比選論述分析，研究人員最終得到了某河的水文成果，為修建某水庫提供了重要的水文數(shù)據(jù)和設(shè)計依據(jù)。這些成果對于確保工程的安全性和可靠性至關(guān)重要，為水庫的規(guī)劃和管理提供了科學(xué)依據(jù)。此外，本研究還強調(diào)了對實測水文數(shù)據(jù)的重要性，并提出了在缺乏實測數(shù)據(jù)的情況下，采用參證站選定論證的方法來進行水文計算的可行性[2]。

1.5 水庫蓄水量估算

這項研究根據(jù)年度和季節(jié)性初級洪水輪廓以及DEM作為測深參考，估計了每個水庫的海岸線高程。首先，將無云年淹沒范圍與DEM 相結(jié)合，得到海岸線高程和坡度的一般分布（獲得STD_a如下所述）。然后利用該信息基于假設(shè)去除干擾海岸線DEM：對于每個單獨的水庫，海岸線像素之間的季節(jié)性高程（以及坡度）偏差在整個研究期間應(yīng)該是均勻的，而干擾（不是海岸線或特殊部分，如大壩）像素會增加偏差。刪除的閾值設(shè)置為：

其中,Tai和AVEa(i-1)是i去除年度范圍修正，（i-1）是分別刪除平均值和標(biāo)準(zhǔn)差之后的值。

對于每個儲層，DEM 優(yōu)化包含一個干擾消除步驟和一個漏件修補步驟。基于DEM的干擾消除包括四個步驟：（1）擦除高程或坡度過高或過低的區(qū)域（根據(jù)Tai）在年度盤區(qū)中，然后使用擦除的盤區(qū)干擾最小的某一年的結(jié)果來獲得STDa；（2）擦除高程或坡度過高的區(qū)域（根據(jù)Taj）在年度范圍內(nèi)，得到無陰影的年度水域范圍；（3）擦除高程或坡度過高的區(qū)域（根據(jù)Tsj），生成的無陰影季節(jié)性水域范圍，其中包括更多缺失范圍，由云、ETM+影像中的未掃描像素以及過度移除導(dǎo)致；（4）移除高程過低的像素（根據(jù)Tsj）在年度和季節(jié)性海岸線DEM 中，以移除海岸線DEM 中缺失范圍的輪廓，從而產(chǎn)生干擾去除的海岸線DEM。通常，對于整個研究區(qū)域的儲層，考慮出現(xiàn)的干擾像素的正態(tài)分布，受限于Tsj和Taj（AVE±2×STD），每次去除的海岸線像素部分約為殘余物的5%，然后季節(jié)性去除通常執(zhí)行5 次，每年執(zhí)行1 次，因此約23%（1-0.95^5），季節(jié)性約5%（1-0.95^1）。水位的估計基于去除干擾的DEM 的平均高程。單獨去除過高或過低值的干擾（高值優(yōu)先）的目的是避免過度消除低值干擾。具體而言，由于NDWI 提取閾值低，導(dǎo)致原淹沒區(qū)結(jié)果包含高海拔和坡度較高的非水域，可能導(dǎo)致去除誤認(rèn)為干擾像素的海岸線像素。

估算水位后，需要對蓄水面積進行完整的DEM估算。通過計算水庫DEM 以上和估計水位平面以下的體積來估計儲水量，以估計完整水域的儲水量，同時排除海拔高于水位的區(qū)域（負(fù)深度區(qū)域），例如陸地面積和一些凍結(jié)區(qū)域。水淹沒面積估算基于水庫DEM 相交的水位面面積[3]。

在應(yīng)用上述程序后，估計在某些季節(jié)失敗或結(jié)果為零，因為成功率受到可用Landsat 圖像的數(shù)量和質(zhì)量的限制，以及水位低于DEM 表面的可能性。為了獲得體積變化的完整時間序列，需要重建這些缺失季節(jié)的儲水量數(shù)據(jù)。對于每個水庫，根據(jù)儲水量與其面積之間相當(dāng)強大的關(guān)系，估計的淹沒面積和儲水量用于生成面積-體積曲線，可以表示為：

其中V代表水庫水量，Area是它的小河流域，并且a和b要確定的參數(shù)。確定后a和b通過曲線擬合，通過淹沒區(qū)重建缺失體積。具體而言，缺失的淹沒面積數(shù)據(jù)用相應(yīng)季節(jié)的多年平均估計面積填充，然后使用成功估計的數(shù)據(jù)確定的面積-體積曲線填充缺失的體積數(shù)據(jù)。

在執(zhí)行曲線擬合時，決定系數(shù)顯示了每個儲層關(guān)系的擬合效應(yīng)，該關(guān)系受以下幾方面因素影響：（1）關(guān)系對局部地形的適用性，因為該關(guān)系對地形類似于對角線切成兩半的方形金字塔的儲層具有更高的適用性；（2）在水位較高時是否更有可能獲得DEM，從而不提供水面下地形，這可能導(dǎo)致關(guān)系的適用性較低，并且無法估計多個季節(jié)[4]。

如果儲層的決定系數(shù)較低（r2＜0.8），使用備用DEM（ASTER）來重新計算季節(jié)性儲水量。對于新蓄水的儲層，除非備份DEM 計算的結(jié)果顯示出顯著更高的決定系數(shù)，因為當(dāng)獲得DEM 時，更多的地形暴露在水面以上并導(dǎo)致關(guān)系對局部地形的適用性，否則默認(rèn)將DEM 計算的結(jié)果作為估計結(jié)果；對于現(xiàn)有儲層，選擇決定系數(shù)較高的計算結(jié)果作為估算結(jié)果。

2 結(jié)果和分析

流域的總儲水量變化以新建的水庫為主。自2014年第3 季度以來，新建水庫的總儲水量突然增加。這一結(jié)果和分析揭示了流域水文情況的重要變化趨勢。

首先，新建水庫的總?cè)萘繛?.33×108m3，其中蓄水量約為2.83×108m3。這意味著新建水庫的儲水能力相當(dāng)大，為整個流域的儲水增加提供了強有力的支持。2014 年第3 季度后的突然上升主要歸因于新水庫的投入使用，其蓄水量顯著貢獻了流域總儲水的增加。

其次，需要關(guān)注庫間體積變化，這是流域水文系統(tǒng)的重要組成部分。在集水區(qū)B 中，總?cè)萘繛?.47×108m3，而另外兩區(qū)的總?cè)萘糠謩e為0.94×108m3和3.89×108m3。這些數(shù)字揭示了不同區(qū)域之間的庫間體積變化，這在流域水資源管理中具有關(guān)鍵作用。特別值得一提的是，水庫容量的變化也需要納入考慮，因為不同水庫的容量變化對總儲水量的貢獻各不相同。

綜合分析結(jié)果表明，新建水庫對流域總儲水量的增加產(chǎn)生了顯著影響。這一變化趨勢對于水資源管理和流域規(guī)劃具有重要意義。首先，它提供了更多的水資源可供利用，可能對供水、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等方面產(chǎn)生積極影響。其次，這種變化需要引起對水資源管理策略的重新審視，以更好地適應(yīng)變化的情況[5]。最重要的是，這一分析為未來的水資源規(guī)劃提供了有力的數(shù)據(jù)支持，幫助更好地理解和應(yīng)對水資源變化的挑戰(zhàn)，確保流域的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語

通過對某閘水文站水位流量關(guān)系的單值化分析，本研究得出了可靠的水位流量關(guān)系曲線，為水文數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用提供了重要參考。水位流量關(guān)系的建立對于水資源管理、洪水預(yù)測和水文模擬等方面具有重要作用。本研究的結(jié)果為深入理解水文站的水文情況以及更精確地利用水文數(shù)據(jù)提供了有益的指導(dǎo)，對于維護水資源的可持續(xù)利用具有積極意義。