水位流量關(guān)系單值化探討

劉都喜，曹勝利，白躍虎

（黃委中游水文水資源局，山西 晉中 030600）

1 基本情況

黃河中游水文測(cè)區(qū)內(nèi)先后組建延安、榆次、榆林、府谷4個(gè)水文水資源勘測(cè)局。已有27個(gè)水文站非汛期簡(jiǎn)化為固定日測(cè)流，11個(gè)站汛期實(shí)行校測(cè)，3個(gè)站實(shí)行間測(cè)，3個(gè)黃河干流站和2個(gè)重要支流控制站仍為駐測(cè)。按照目前測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)站分布和測(cè)站控制情況，利用測(cè)站附近現(xiàn)有的水利工程設(shè)施，可進(jìn)一步簡(jiǎn)化流量測(cè)驗(yàn)、改善水位流量關(guān)系。

2 開(kāi)展的前景及可行性

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)站實(shí)際情況開(kāi)展研究，結(jié)合先進(jìn)儀器、設(shè)備的引進(jìn)和資料分析。實(shí)行一方面可以結(jié)合資料分析改善水位流量關(guān)系，保證必要的測(cè)驗(yàn)精度，實(shí)現(xiàn)全面巡測(cè)，向無(wú)人值守過(guò)渡。同時(shí)可在未控區(qū)有水工建筑的河段設(shè)立斷面，建立未控區(qū)洪水測(cè)驗(yàn)測(cè)站或調(diào)查點(diǎn)，投入較少的經(jīng)費(fèi)，達(dá)到設(shè)站、增點(diǎn)，擴(kuò)大資料收集面的目的。減少駐站人員，使更多的人力搞資料深加工分析。第三，結(jié)合應(yīng)用先進(jìn)的儀器、設(shè)備，徹底改善水文職工的工作條件，避免了水上作業(yè)或高空作業(yè)，有利于測(cè)驗(yàn)安全。

總之，利用堰壩改善水位流量關(guān)系，能較大地提高流量測(cè)驗(yàn)質(zhì)量，更好地滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展對(duì)水文測(cè)驗(yàn)提出新的要求。為進(jìn)一步深化站隊(duì)結(jié)合工作，開(kāi)拓測(cè)驗(yàn)新途徑，具有很好的發(fā)展前景。

根據(jù)中游測(cè)區(qū)基層站測(cè)驗(yàn)河段附近水工建筑及自然跌水較多的條件，利用水利工程、測(cè)站附近的滾水壩、自然跌水、橋梁控制等來(lái)建立較穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。繼續(xù)在有條件的測(cè)站逐站開(kāi)展比測(cè)試驗(yàn)分析，研究適合各站特點(diǎn)的可操作性強(qiáng)的技術(shù)路線。對(duì)全面改進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式，推行高標(biāo)準(zhǔn)的巡測(cè)，開(kāi)展無(wú)人駐測(cè)和委托觀測(cè)，將是一個(gè)切實(shí)可行的途徑。

綜合過(guò)去對(duì)中游水文測(cè)區(qū)各站水位流量關(guān)系分析，認(rèn)為影響二者關(guān)系穩(wěn)定的主要因素：一是斷面沖淤變化，二是洪水漲落影響。其中，最主要的是斷面沖淤變化的影響，由于中游測(cè)區(qū)內(nèi)干支流洪水暴漲暴落，并且多為高含沙水流，洪水過(guò)程斷面沖淤變化大，實(shí)測(cè)水深困難。用借用斷面面積計(jì)算流量誤差較大，一般可達(dá)15%～20%左右。利用滾水壩上游附近穩(wěn)定的或微沖微淤斷面，基本上克服了受斷面沖淤變化的影響，完全可以達(dá)到改善水位流量關(guān)系的目的。在有條件的水工建筑上游附近建立副斷面，設(shè)立一組水尺或安裝自記水位計(jì)，就可以由水位推算出較高精度的水文資料，比基本斷面建測(cè)流設(shè)施既投資少，又更安全，同時(shí)還減輕了水文職工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 比測(cè)試驗(yàn)基本情況

3.1 延水延安站

在延安站基本斷面以上2.3 km處建有人工堰一座，用于給延惠渠引水，該人工堰高3.5 m，堰寬88 m，左岸邊有一寬2.6 m，深1.3 m的引水口。該引水口為無(wú)閘門(mén)控制，是常流水入口。1995年7月在堰頂上游92 m（設(shè)為副斷面）處安裝了“HW—1000型非接觸式超聲波水位計(jì)”，1996年比測(cè)了4次洪水過(guò)程，流量測(cè)次37次，流量范圍：2.5～1700 m3/s。

3.2 屈產(chǎn)河裴溝站

裴溝站滾水壩在基下140 m處，壩高1.2 m，壩寬約21.5 m，引水渠現(xiàn)在已廢棄。因該站斷面沖淤變化相對(duì)較小，所以，高水時(shí)水位流量（基本斷面水位在8.89 m以上、相應(yīng)流量在61.6 m3/s以上）關(guān)系較穩(wěn)定，歷年水位流量關(guān)系可綜合定為單一線。而該站中、低水水位流量關(guān)系較散亂，不能定為單一線。所以，在滾水壩上游20 m處設(shè)為副斷面（1），設(shè)立了一組水尺，基本斷面測(cè)流時(shí)觀測(cè)相應(yīng)水位，建立副斷面水位流量關(guān)系，目的是改善中水水位流量關(guān)系。水位在7.63 m以下，流量在2.33 m3/s以下，副斷面（1）的水位流量關(guān)系也不成單一線。另選基下200 m處天然測(cè)流槽，設(shè)立一組水尺作為付斷面（2），該斷面小水時(shí)水位流量關(guān)系為單一線。

裴溝站副斷面（1）距基本斷面距離較近，因此，比測(cè)試驗(yàn)時(shí)選擇水流比較平穩(wěn)的時(shí)期，不考慮洪水傳播的影響，可以直接用基本斷面所測(cè)流量與副斷面相應(yīng)水位建立關(guān)系。

4 比測(cè)試驗(yàn)成果分析

4.1 延水延安站

因該站副斷面距基本斷面較遠(yuǎn)，所以，要考慮洪水傳播時(shí)間，即基本斷面來(lái)水滯后相應(yīng)堰上來(lái)水。

1）洪水傳播時(shí)間分析。分析副斷面至基本斷面洪水傳播時(shí)間與流量的關(guān)系，用實(shí)測(cè)流量相應(yīng)的斷面平均流速，代表該河段內(nèi)水流的平均流速。以兩斷面間距離除以實(shí)測(cè)流量平均流速，即得相應(yīng)流量下洪水傳播時(shí)間。以流量為縱坐標(biāo)，計(jì)算的相應(yīng)傳播時(shí)間為橫坐標(biāo)，點(diǎn)繪流量與傳播時(shí)間相關(guān)關(guān)系圖，二者關(guān)系較好，流量大，洪水傳播時(shí)間短，反之亦然。

2）副斷面水位與基本斷面水位關(guān)系分析。用基本斷面實(shí)測(cè)流量的平均時(shí)間，按其滯后時(shí)間返推，求出副斷面水位。以此水位與基本斷面相應(yīng)水位建立關(guān)系，二者關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.998，低水關(guān)系稍差是由于低水位代表性較差的緣故。

3）副斷面水位流量關(guān)系分析。《水文巡測(cè)規(guī)范》規(guī)定，水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集，分布呈帶狀，并無(wú)明顯偏離，系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值二、三類(lèi)站精度的水文站不大于2%，且流速儀法測(cè)流的實(shí)測(cè)關(guān)系點(diǎn)據(jù)與關(guān)系線間的定線誤差（不確定度）高、中水分別不大于10%，12%和12%，14%的允許誤差指標(biāo)（浮標(biāo)法和比降—面積法的定線允許誤差可分別增大1%～3%和 3%～5%），可定為單一線。

延安站副斷面水位流量關(guān)系中定線系統(tǒng)誤差為0.3%，不確定度為11.4%；低水水位流量關(guān)系散亂，不能定為單一線。

延安站因試驗(yàn)資料系列較少、還有自記水位計(jì)故障、副斷面距站房較遠(yuǎn)、低水水位流量關(guān)系不理想等原因，致使該方案還沒(méi)有正式投入應(yīng)用。

4.2 屈產(chǎn)河裴溝站

因該站不考慮洪水傳播的影響，所以，只分析副斷面（1）水位與流量的關(guān)系，二者關(guān)系較好，75%以上的測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線的偏離相對(duì)誤差值不超±2.3%。定線系統(tǒng)誤差為1.0%，不確定度為 9.4%。

裴溝站中水水位流量關(guān)系可以定為單一線，用公式表示為：

式中：Q—流量，m3/s；Z—水位，m。

裴溝站根據(jù)測(cè)驗(yàn)河段實(shí)際情況，基本斷面受沖淤變化影響，對(duì)中低水水位流量關(guān)系影響較大，使二者關(guān)系較復(fù)雜，不成單一線，高水時(shí)斷面沖淤變化所占比例相對(duì)較小，而斷面沖淤變化與流速變化又有相互補(bǔ)償?shù)淖饔茫矢咚唬ㄋ辉?.89 m以上、相應(yīng)流量在61.5 m3/s以上）流量關(guān)系歷年可綜合定為單一線。中低水分別利用測(cè)驗(yàn)河段附近滾水壩和天然測(cè)流槽的良好自然條件，分別在副斷面（1）和副斷面（2）實(shí)現(xiàn)水位流量關(guān)系單值化。即基本斷面水位在8.89 m以下，副斷面（1）水位在7.62 m至8.43 m之間；流量在2.12～61.5 m3/s之間，水位流量關(guān)系可定為單一線；副斷面（1）水位在7.62 m以下，相應(yīng)流量在2.12 m3/s以下，副斷面2水位流量可定為單一線。由此裴溝站高、中、低水，分別在基本斷面、副斷面（1）和副斷面（2）實(shí)現(xiàn)了水位流量關(guān)系單值化。該方案較為完善，因此，現(xiàn)已正式投入應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

由于影響中游水文測(cè)區(qū)水位流量關(guān)系的因素主要是斷面沖淤變化，而洪水時(shí)實(shí)測(cè)斷面困難，斷面沖淤變化又極為復(fù)雜，計(jì)算流量靠借用斷面誤差又較大，致使水位流量關(guān)系散亂。通過(guò)對(duì)延安、裴溝水文站堰壩水位流量關(guān)系的分析，結(jié)果表明：利用堰壩使中、高水水位流量關(guān)系得到了很大改善，水位流量關(guān)系能夠?qū)崿F(xiàn)單值化。這樣既比對(duì)基本斷面水位流量關(guān)系概化處理應(yīng)用簡(jiǎn)便，又提高了資料精度；也比在基本斷面建測(cè)流設(shè)施投資少，也更安全。中游水文測(cè)區(qū)有較多水文站測(cè)驗(yàn)河段附近有可供利用的水工建筑，所以，利用堰壩改善水位流量關(guān)系有著廣闊的應(yīng)用前景。

利用堰壩改善水位流量關(guān)系只能解決中、高水部分，低水部分還得另辟途徑。目前，裴溝站利用天然測(cè)流槽；大村、新市河、臨鎮(zhèn)、韓家峁等站修建人工控制低水測(cè)流槽都是行之有效的辦法。

由于過(guò)去測(cè)區(qū)內(nèi)大部分水文站水位靠人工觀測(cè)，因此，即使部分站測(cè)驗(yàn)河段附近有水工建筑等條件，但因距站房較遠(yuǎn)，觀測(cè)不方便等原因影響，各站普遍對(duì)此沒(méi)有積極性。所以，盡管有的水文站測(cè)驗(yàn)河段附近有較好的條件也沒(méi)有充分利用起來(lái)。目前，HW—1000型非接觸式超聲波水位計(jì)已廣泛投入應(yīng)用，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，在有條件的地方可以設(shè)立遙測(cè)自記水位計(jì)施測(cè)水位。如果副斷面距站房較遠(yuǎn)，可以采用“無(wú)人值守、有人看管”的方式解決。