金沙江魯?shù)乩恼締沃祷接?/h1>
2023-12-19 03:28:28李昌隆勾晶晶
陜西水利 2023年12期
李昌隆，勾晶晶
（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局攀枝花分局,四川 攀枝花 617000）
1 金沙江魯?shù)乩恼咎匦?/h2>
金沙江魯?shù)乩恼居?016 年05 月9 日開工,2017 年05 月30 日完工,2017 年06 月21 日通過(guò)完工驗(yàn)收并投入試運(yùn)行。金沙江魯?shù)乩恼揪噘e川縣縣城公路里程95 km,距大理市公路里程160 km,距昆明市公路里415 km。魯?shù)乩恼疚挥隰數(shù)乩娬鞠掠渭s2 km 右岸,距離觀音巖水電站約96 km。測(cè)驗(yàn)河段無(wú)串溝、回水、死水情況；兩岸為護(hù)坡,河床為卵石夾沙組成,斷面較穩(wěn)定；兩岸無(wú)灘地、無(wú)植被；基本水尺斷面上游約2 km 有魯?shù)乩娬?區(qū)間無(wú)支流匯入,水位經(jīng)常受閘門啟閉影響而產(chǎn)生突變。斷面上游約240 m 左右有行車鐵索橋一座,斷面上游約200 m 處在低水時(shí)有分流情況,在斷面上游約120 m 處匯合。魯?shù)乩恼揪嚅L(zhǎng)江河口3884 km,控制集水面積247346 km2。測(cè)站為流量測(cè)驗(yàn)精度三類水文站。
2 金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系簡(jiǎn)介
2.1 水位流量關(guān)系定義
河渠中某斷面的流量與其水位之間的呈現(xiàn)何種關(guān)系。這項(xiàng)關(guān)系要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牟煌髑闆r的多次實(shí)測(cè)流量和其 相應(yīng)的水位來(lái)確定,通常用水工頂線、多年經(jīng)驗(yàn)曲線、經(jīng)驗(yàn)方程或表格等形式表達(dá)。它是由各種水力因素（如水面寬、斷面面積、水力比降、糙率等）決定的[1]。
2.2 金沙江魯?shù)乩恼緶y(cè)流方法
采用流速儀法測(cè)流,按照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程及批復(fù)的測(cè)驗(yàn)方案開展測(cè)流工作。流速儀測(cè)流方法利用面積乘以平均流速法,即用各種測(cè)深方法測(cè)出若干部分面積,再用流速儀測(cè)出垂直于過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉?然后乘以部分過(guò)水面積,求得部分流量,再計(jì)算其總和得出斷面流量。國(guó)內(nèi)以機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀為主,還有部分分旋槳式流速儀和旋杯式流速儀,它們采用不同安裝方式,適用于不同流速環(huán)境,運(yùn)行方式為水文纜道式。
2.3 研究金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系單值化的背景
金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系見圖1。電站陸續(xù)建成發(fā)電。天然河道已經(jīng)沒有,測(cè)站在電站壩下和庫(kù)尾。測(cè)站水位流量等關(guān)系全由電站控制。
圖1 金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁恳?/p>
測(cè)站水位變化頻繁,一天有1～2 個(gè)漲落過(guò)程,測(cè)站流量測(cè)次多,用連時(shí)序法定線困難。
2.4 魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系現(xiàn)狀
2018 年～2020 年每年實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子個(gè)數(shù)基本都在100 次以上,工作量巨大,長(zhǎng)期耗費(fèi)大量人力物力,水位流量關(guān)系不能夠很好得到解決。連時(shí)序法測(cè)流定線對(duì)測(cè)點(diǎn)布控有著嚴(yán)格的要求,不然就會(huì)造成定線的任意性變大,所以我們就要深入研究探討一種新的推流方式：定線方式落差指數(shù)法推流。而且其他相同影響的水文站都在用,如宜昌站[2],監(jiān)理（二）站。
3 落差指數(shù)法介紹
3.1 落差指數(shù)法定義
落差指數(shù)法是以落差法為基礎(chǔ),通過(guò)優(yōu)選落差指數(shù)β,并建立水位與流量同落差β次方之比的關(guān)系曲線來(lái)推求流量。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[3]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）,6.4.12 規(guī)定,該法適用于斷面基本穩(wěn)定變化不大,落差具有代表性,受電站變動(dòng)回水或受水電站變動(dòng)回水及電站泄洪引起的洪水漲落綜合影響的測(cè)站。近年來(lái),魯?shù)乩恼臼苌?、下游水電站樞紐工程及洪水漲落等多種因素影響,水位流量關(guān)系紊亂,目前采用連時(shí)序法推流,需要較多流量測(cè)次,尤其是不能滿足水文情報(bào)預(yù)報(bào)的及時(shí)性。為提高測(cè)報(bào)精度、解放生產(chǎn)力、提高工作效率、減少成本支出,本文選用近年來(lái)魯?shù)乩恼揪哂写硇缘乃涣髁抠Y料,采用落差指數(shù)法 進(jìn)行單值化分析,建立流量推求模型,實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地推求金沙江魯?shù)乩恼玖髁孔兓^(guò)程。
3.2 現(xiàn)行水文資料整編規(guī)范
一種方法是否滿足要求,就要看其是否滿足行業(yè)規(guī)范要求,根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[3],條款5.3.2中流速面積法水位流量關(guān)系定線及允許合并定線精度指標(biāo)應(yīng)符合下列要求：
采用單一曲線法或水力因素法定線時(shí),流速儀法測(cè)流定線精度應(yīng)符合表1 的規(guī)定。
表1 水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)表
4 魯?shù)乩恼韭洳钪笖?shù)法具體方法
1）通過(guò)水文纜道流速儀測(cè)流方式收集金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁繙y(cè)點(diǎn)。
2）通過(guò)南方資料整編軟件收集金沙江魯?shù)乩恼菊幩唬▃0g 文件）。
3）通過(guò)魯?shù)乩娬舅念A(yù)報(bào)集控中心收集下游落差站點(diǎn)觀音巖水電站壩上水位。
4）根據(jù)金沙江魯?shù)乩膶?shí)測(cè)站流量平均時(shí)間和z0g 文件的整編水位時(shí)間,把觀音巖壩上水位（輔助站）通過(guò)函數(shù)查找方式一一插補(bǔ)出來(lái)。再根據(jù)兩站水位落差確定需要在落差基礎(chǔ)上加上一個(gè)定落差（每年根據(jù)水位情況具體定值）,確保全年兩站水位計(jì)算落差不能為0。
5）金沙江魯?shù)乩恼?021 年與2022 年兩年落差指數(shù)法數(shù)據(jù)分析。
5 金沙江魯?shù)乩恼?021 年、2022 年數(shù)據(jù)全面分析
通過(guò)大量的表格函數(shù)分析用試算法求得合適的指數(shù)和系數(shù)的取值范圍。
假設(shè)相同水位不同落差的流量符合下列公式：
式中：Q1、Q2分別為相同水位不同落差的流量,ΔH1、ΔH2分別為與Q1、Q2相應(yīng)的落差,m；β為落差指數(shù)；q 為流量與落差β次方之比（或稱校正流量因數(shù)）。
優(yōu)選落差指數(shù)β值：β值的可變化范圍為0.2～0.8,在此區(qū)間內(nèi)可采用大量試錯(cuò)法或優(yōu)選法以定出的H～q 關(guān)系曲線,通過(guò)南方整編軟件做出適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、反曲檢查且不確定度最小值的β為最優(yōu)β值。
確定H～q 關(guān)系曲線：根據(jù)優(yōu)選的β值所定的H～q 關(guān)系曲線,定線精度符合《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[3]單一曲線的定線精度要求,即為推求流量采用的最佳曲線。
根據(jù)落差輔助站的水位過(guò)程計(jì)算的落差ΔH 和優(yōu)選的β值,用魯?shù)乩恼舅煌频胵 值,與相應(yīng)的ΔHβ的乘積即為推求的流量Q推。
6 金沙江魯?shù)乩恼?021 年、2022 年落差指數(shù)法檢驗(yàn)
2021年通過(guò)長(zhǎng)江水文局的南方資料整編軟件檢驗(yàn)見表2。
表2 金沙江魯?shù)乩舅弧Ｕ蛩仃P(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表
從表2 可知,系統(tǒng)誤差0.2%＜2%,標(biāo)準(zhǔn)差6.1%＜12%。滿足三類精度水文站水力因素法水位流量定線精度要求。推求本站整編流量：根據(jù)落輔助站的水位過(guò)程計(jì)算的落差ΔH 求得最佳β值及系數(shù)。用魯?shù)乩恼舅辉诰€上查得推得q值。q×ΔZβ×系數(shù)=推求的本站流量。2022 年通過(guò)長(zhǎng)江水文局的南方資料整編軟件檢驗(yàn)見表3。
表3 金沙江魯?shù)乩舅弧Ｕ蛩仃P(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表
從表3 可知,系統(tǒng)誤差-0.6%＜2%,標(biāo)準(zhǔn)差6.5%＜12%。滿足三類精度水文站水力因素法水位流量定線精度要求。推求本站整編流量：根據(jù)落輔助站的水位過(guò)程計(jì)算的落差ΔH求得最佳β值及系數(shù)。用魯?shù)乩恼舅辉诰€上查得推得q 值。q×ΔZβ×系數(shù)=推求的本站流量。
7 結(jié)論
落差指數(shù)法適用于魯?shù)乩恼居糜谕魄笏涣髁筷P(guān)系,滿足日平均流量的推算,可以節(jié)省大量的人力物力,有效地提高水文站工作效率,建議每年適時(shí)調(diào)整參數(shù),及時(shí)對(duì)照上下游流量,與電站出庫(kù)流量做對(duì)比分析。通過(guò)上文的分析可知,水位～流量關(guān)系非常復(fù)雜,會(huì)受到諸多因素的影響。結(jié)合實(shí)際水位和流量的資料,通過(guò)綜合試錯(cuò)法確定落差指數(shù)關(guān)系開展水位～流量關(guān)系單值化分析,并最終確定了關(guān)系參數(shù),分析結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求,可為類似分析提供一定的借鑒。
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1 金沙江魯?shù)乩恼咎匦?/h2>
金沙江魯?shù)乩恼居?016 年05 月9 日開工,2017 年05 月30 日完工,2017 年06 月21 日通過(guò)完工驗(yàn)收并投入試運(yùn)行。金沙江魯?shù)乩恼揪噘e川縣縣城公路里程95 km,距大理市公路里程160 km,距昆明市公路里415 km。魯?shù)乩恼疚挥隰數(shù)乩娬鞠掠渭s2 km 右岸,距離觀音巖水電站約96 km。測(cè)驗(yàn)河段無(wú)串溝、回水、死水情況；兩岸為護(hù)坡,河床為卵石夾沙組成,斷面較穩(wěn)定；兩岸無(wú)灘地、無(wú)植被；基本水尺斷面上游約2 km 有魯?shù)乩娬?區(qū)間無(wú)支流匯入,水位經(jīng)常受閘門啟閉影響而產(chǎn)生突變。斷面上游約240 m 左右有行車鐵索橋一座,斷面上游約200 m 處在低水時(shí)有分流情況,在斷面上游約120 m 處匯合。魯?shù)乩恼揪嚅L(zhǎng)江河口3884 km,控制集水面積247346 km2。測(cè)站為流量測(cè)驗(yàn)精度三類水文站。
2 金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系簡(jiǎn)介
2.1 水位流量關(guān)系定義
河渠中某斷面的流量與其水位之間的呈現(xiàn)何種關(guān)系。這項(xiàng)關(guān)系要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牟煌髑闆r的多次實(shí)測(cè)流量和其 相應(yīng)的水位來(lái)確定,通常用水工頂線、多年經(jīng)驗(yàn)曲線、經(jīng)驗(yàn)方程或表格等形式表達(dá)。它是由各種水力因素（如水面寬、斷面面積、水力比降、糙率等）決定的[1]。
2.2 金沙江魯?shù)乩恼緶y(cè)流方法
采用流速儀法測(cè)流,按照國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程及批復(fù)的測(cè)驗(yàn)方案開展測(cè)流工作。流速儀測(cè)流方法利用面積乘以平均流速法,即用各種測(cè)深方法測(cè)出若干部分面積,再用流速儀測(cè)出垂直于過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉?然后乘以部分過(guò)水面積,求得部分流量,再計(jì)算其總和得出斷面流量。國(guó)內(nèi)以機(jī)械型轉(zhuǎn)子式流速儀為主,還有部分分旋槳式流速儀和旋杯式流速儀,它們采用不同安裝方式,適用于不同流速環(huán)境,運(yùn)行方式為水文纜道式。
2.3 研究金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系單值化的背景
金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系見圖1。電站陸續(xù)建成發(fā)電。天然河道已經(jīng)沒有,測(cè)站在電站壩下和庫(kù)尾。測(cè)站水位流量等關(guān)系全由電站控制。
圖1 金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁恳?/p>
測(cè)站水位變化頻繁,一天有1～2 個(gè)漲落過(guò)程,測(cè)站流量測(cè)次多,用連時(shí)序法定線困難。
2.4 魯?shù)乩恼舅涣髁筷P(guān)系現(xiàn)狀
2018 年～2020 年每年實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子個(gè)數(shù)基本都在100 次以上,工作量巨大,長(zhǎng)期耗費(fèi)大量人力物力,水位流量關(guān)系不能夠很好得到解決。連時(shí)序法測(cè)流定線對(duì)測(cè)點(diǎn)布控有著嚴(yán)格的要求,不然就會(huì)造成定線的任意性變大,所以我們就要深入研究探討一種新的推流方式：定線方式落差指數(shù)法推流。而且其他相同影響的水文站都在用,如宜昌站[2],監(jiān)理（二）站。
3 落差指數(shù)法介紹
3.1 落差指數(shù)法定義
落差指數(shù)法是以落差法為基礎(chǔ),通過(guò)優(yōu)選落差指數(shù)β,并建立水位與流量同落差β次方之比的關(guān)系曲線來(lái)推求流量。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[3]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）,6.4.12 規(guī)定,該法適用于斷面基本穩(wěn)定變化不大,落差具有代表性,受電站變動(dòng)回水或受水電站變動(dòng)回水及電站泄洪引起的洪水漲落綜合影響的測(cè)站。近年來(lái),魯?shù)乩恼臼苌?、下游水電站樞紐工程及洪水漲落等多種因素影響,水位流量關(guān)系紊亂,目前采用連時(shí)序法推流,需要較多流量測(cè)次,尤其是不能滿足水文情報(bào)預(yù)報(bào)的及時(shí)性。為提高測(cè)報(bào)精度、解放生產(chǎn)力、提高工作效率、減少成本支出,本文選用近年來(lái)魯?shù)乩恼揪哂写硇缘乃涣髁抠Y料,采用落差指數(shù)法 進(jìn)行單值化分析,建立流量推求模型,實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地推求金沙江魯?shù)乩恼玖髁孔兓^(guò)程。
3.2 現(xiàn)行水文資料整編規(guī)范
一種方法是否滿足要求,就要看其是否滿足行業(yè)規(guī)范要求,根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[3],條款5.3.2中流速面積法水位流量關(guān)系定線及允許合并定線精度指標(biāo)應(yīng)符合下列要求：
采用單一曲線法或水力因素法定線時(shí),流速儀法測(cè)流定線精度應(yīng)符合表1 的規(guī)定。
表1 水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)表
4 魯?shù)乩恼韭洳钪笖?shù)法具體方法
1）通過(guò)水文纜道流速儀測(cè)流方式收集金沙江魯?shù)乩恼舅涣髁繙y(cè)點(diǎn)。
2）通過(guò)南方資料整編軟件收集金沙江魯?shù)乩恼菊幩唬▃0g 文件）。
3）通過(guò)魯?shù)乩娬舅念A(yù)報(bào)集控中心收集下游落差站點(diǎn)觀音巖水電站壩上水位。
4）根據(jù)金沙江魯?shù)乩膶?shí)測(cè)站流量平均時(shí)間和z0g 文件的整編水位時(shí)間,把觀音巖壩上水位（輔助站）通過(guò)函數(shù)查找方式一一插補(bǔ)出來(lái)。再根據(jù)兩站水位落差確定需要在落差基礎(chǔ)上加上一個(gè)定落差（每年根據(jù)水位情況具體定值）,確保全年兩站水位計(jì)算落差不能為0。
5）金沙江魯?shù)乩恼?021 年與2022 年兩年落差指數(shù)法數(shù)據(jù)分析。
5 金沙江魯?shù)乩恼?021 年、2022 年數(shù)據(jù)全面分析
通過(guò)大量的表格函數(shù)分析用試算法求得合適的指數(shù)和系數(shù)的取值范圍。
假設(shè)相同水位不同落差的流量符合下列公式：
式中：Q1、Q2分別為相同水位不同落差的流量,ΔH1、ΔH2分別為與Q1、Q2相應(yīng)的落差,m；β為落差指數(shù)；q 為流量與落差β次方之比（或稱校正流量因數(shù)）。
優(yōu)選落差指數(shù)β值：β值的可變化范圍為0.2～0.8,在此區(qū)間內(nèi)可采用大量試錯(cuò)法或優(yōu)選法以定出的H～q 關(guān)系曲線,通過(guò)南方整編軟件做出適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、反曲檢查且不確定度最小值的β為最優(yōu)β值。
確定H～q 關(guān)系曲線：根據(jù)優(yōu)選的β值所定的H～q 關(guān)系曲線,定線精度符合《水文資料整編規(guī)范》（SL/T 247-2020）[3]單一曲線的定線精度要求,即為推求流量采用的最佳曲線。
根據(jù)落差輔助站的水位過(guò)程計(jì)算的落差ΔH 和優(yōu)選的β值,用魯?shù)乩恼舅煌频胵 值,與相應(yīng)的ΔHβ的乘積即為推求的流量Q推。
6 金沙江魯?shù)乩恼?021 年、2022 年落差指數(shù)法檢驗(yàn)
2021年通過(guò)長(zhǎng)江水文局的南方資料整編軟件檢驗(yàn)見表2。
表2 金沙江魯?shù)乩舅弧Ｕ蛩仃P(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表
從表2 可知,系統(tǒng)誤差0.2%＜2%,標(biāo)準(zhǔn)差6.1%＜12%。滿足三類精度水文站水力因素法水位流量定線精度要求。推求本站整編流量：根據(jù)落輔助站的水位過(guò)程計(jì)算的落差ΔH 求得最佳β值及系數(shù)。用魯?shù)乩恼舅辉诰€上查得推得q值。q×ΔZβ×系數(shù)=推求的本站流量。2022 年通過(guò)長(zhǎng)江水文局的南方資料整編軟件檢驗(yàn)見表3。
表3 金沙江魯?shù)乩舅弧Ｕ蛩仃P(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表
從表3 可知,系統(tǒng)誤差-0.6%＜2%,標(biāo)準(zhǔn)差6.5%＜12%。滿足三類精度水文站水力因素法水位流量定線精度要求。推求本站整編流量：根據(jù)落輔助站的水位過(guò)程計(jì)算的落差ΔH求得最佳β值及系數(shù)。用魯?shù)乩恼舅辉诰€上查得推得q 值。q×ΔZβ×系數(shù)=推求的本站流量。
7 結(jié)論
落差指數(shù)法適用于魯?shù)乩恼居糜谕魄笏涣髁筷P(guān)系,滿足日平均流量的推算,可以節(jié)省大量的人力物力,有效地提高水文站工作效率,建議每年適時(shí)調(diào)整參數(shù),及時(shí)對(duì)照上下游流量,與電站出庫(kù)流量做對(duì)比分析。通過(guò)上文的分析可知,水位～流量關(guān)系非常復(fù)雜,會(huì)受到諸多因素的影響。結(jié)合實(shí)際水位和流量的資料,通過(guò)綜合試錯(cuò)法確定落差指數(shù)關(guān)系開展水位～流量關(guān)系單值化分析,并最終確定了關(guān)系參數(shù),分析結(jié)果能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求,可為類似分析提供一定的借鑒。
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