襄陽(yáng)水文站上游站水位法推流分析

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 漢江水文水資源勘測(cè)局，湖北 襄陽(yáng) 441000)

自2010年起，襄陽(yáng)水文站開(kāi)始運(yùn)用水平式ADCP測(cè)流，以解決該站復(fù)雜流態(tài)下的流量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題。通過(guò)多年比測(cè)分析，其比測(cè)成果合格并投產(chǎn)運(yùn)用。在水平式ADCP的運(yùn)用過(guò)程中，因儀器故障記錄中斷情況時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)成果不連續(xù)，影響流量資料整編。為有效解決這一問(wèn)題，本文根據(jù)上游站水位法確立上游廟崗站與襄陽(yáng)站流量并建立水位流量關(guān)系[1]，同時(shí)驗(yàn)算樞紐蓄水后廟崗-襄陽(yáng)傳播時(shí)間，推求該站流量過(guò)程，以彌補(bǔ)水平式ADCP在線監(jiān)測(cè)的不足。

1 應(yīng)用上游站水位法的可行性分析

1.1 上游站水位法

上游站水位法是利用抵償河長(zhǎng)原理進(jìn)行推流的方法之一[2]。所謂上游站水位法，即若在某測(cè)流斷面上游設(shè)有多組水尺，同時(shí)收集各組水尺的水位資料，并用試錯(cuò)方法，就可找到一組水尺的水位與測(cè)流斷面流量呈(或接近)單一關(guān)系。

若一河段中斷面水位Z中與河段槽蓄量W及出口斷面流量Q下三者為單值函數(shù)，則此河段的長(zhǎng)度，稱為抵償河長(zhǎng)。抵償河長(zhǎng)理論計(jì)算公式為

L=[△Z0/△Q0]×[Q0/I0]

(1)

式中，L為抵償河長(zhǎng),km；△Z0為斷面水位，m； △Z0/△Q0為穩(wěn)定流Q0時(shí)Z～Q關(guān)系曲線的斜率；Q0為穩(wěn)定時(shí)的流量,m3/s;I0為相應(yīng)于穩(wěn)定流Q0時(shí)的水面比降。

在實(shí)際工作中，確定穩(wěn)定流比較困難，一般多采用試錯(cuò)法來(lái)確定L。在試錯(cuò)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)各組水尺與測(cè)驗(yàn)流量建立的關(guān)系仍為繩套，僅幅度變小，說(shuō)明水尺至測(cè)流斷面距離小于半個(gè)抵償河長(zhǎng)，反之則說(shuō)明大于半個(gè)抵償河長(zhǎng)。采用這一規(guī)律，能較快地試算出水位流量關(guān)系為單一線的水尺,即選定水尺至測(cè)流斷面的距離應(yīng)等于(或接近)半個(gè)抵償河長(zhǎng)。

1.2 可行性分析

由上所述，受洪水漲落影響的測(cè)站，宜采用上游站水位法定線推流，且要求測(cè)驗(yàn)河段基本穩(wěn)定，測(cè)站上游附近無(wú)支流入?yún)R，且不受下游變動(dòng)回水影響[3]。顯然，崔家營(yíng)樞紐蓄水后，襄陽(yáng)水文站直接采用上游站水位法推流是不妥的。

由圖1可知，漢江廟崗至襄陽(yáng)河段長(zhǎng)38 km，其間無(wú)支流入?yún)R，且廟崗站在崔家營(yíng)樞紐蓄水后仍為天然河道。

圖1 漢江襄陽(yáng)河段河勢(shì)情況

近年來(lái)受丹江口大壩加高影響，自2012年以來(lái)大壩下游河道處于電站正常調(diào)劑出流狀態(tài)下，因此大壩下游河床變化較小。從圖2漢江襄陽(yáng)水文站大斷面變化可見(jiàn)，襄陽(yáng)水文站河段斷面沖淤變化不明顯，河庫(kù)比較穩(wěn)定。

圖2 襄陽(yáng)水文站歷年斷面沖淤變化

選取2015年上游廟崗站水位與襄陽(yáng)水文站水平式ADCP流量進(jìn)行逐時(shí)對(duì)比，其中上游站水位變幅為68.41～71.16 m，襄陽(yáng)水文站斷面流量變化范圍為237～1 870 m3/s，基本涵蓋了上游電站正常調(diào)劑出流下的水情。如圖3所示，上游站水位與襄陽(yáng)水文站水平式ADCP所測(cè)流量過(guò)程上有相近之處，但又受下游電站變動(dòng)回水影響，變化過(guò)程不能嚴(yán)格一致，但時(shí)段內(nèi)平均值可能取得一定精度，可滿足該站水量推求需要。

1.3 水平式ADCP精度分析

自2010年開(kāi)始,襄陽(yáng)水文站運(yùn)用水平式ADCP，采用指標(biāo)流速法推算斷面流量。從近幾年的應(yīng)用來(lái)看，指標(biāo)流速關(guān)系相對(duì)比較穩(wěn)定，2010～2013年指標(biāo)流速與實(shí)測(cè)斷面平均流速共比測(cè)了57個(gè)樣本，建立了2010～2013年綜合指標(biāo)流速關(guān)系線(見(jiàn)圖4)。曲線定線系統(tǒng)誤差為0.2%，隨機(jī)不確定度為10.7%，符合規(guī)范要求。

圖3 廟崗站水位與水平式ADCP流量逐時(shí)過(guò)程對(duì)照

圖4 水平式ADCP指標(biāo)流速關(guān)系

對(duì)2015年關(guān)系點(diǎn)與綜合關(guān)系測(cè)點(diǎn)進(jìn)行t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)成果詳見(jiàn)表1。

綜上所述，應(yīng)用上游站水位法建立廟崗站水位與襄陽(yáng)站流量關(guān)系的方法可行。

2 相關(guān)分析

2.1 廟崗-襄陽(yáng)傳播時(shí)間分析

由于受下游電站變動(dòng)回水影響，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)上下游水位相關(guān)推求廟崗-襄陽(yáng)傳播時(shí)間，只能采用其他方法。從圖3可知廟崗站水位與襄陽(yáng)站流量變化過(guò)程相近，不妨采用上游站水位與襄陽(yáng)站流量相關(guān)，通過(guò)試錯(cuò)法確定傳播時(shí)間。根據(jù)下游電站蓄水前分析的成果，確定傳播時(shí)間6，7，8，9 h進(jìn)行試錯(cuò)(如圖5所示)，最后決定采用7 h。

表1 學(xué)生氏t檢驗(yàn)誤差計(jì)算

注：顯著性水平α值采用0.05，k=64，t1-α/2=2.09，︱t︱

圖5 不同傳播歷時(shí)水位流量

2.2 廟崗水位與襄陽(yáng)水文站實(shí)測(cè)流量相關(guān)分析

將襄陽(yáng)水文站2013～2015年實(shí)測(cè)流量與廟崗(Ti-7h時(shí)刻)水位建立關(guān)系。部分測(cè)點(diǎn)舍棄，經(jīng)分析主要有以下2個(gè)影響因素： ①?gòu)R崗水位因上游電站影響正處于調(diào)劑期； ②低枯水流量測(cè)驗(yàn)誤差大(見(jiàn)圖6)。

圖6 廟崗Z～Q關(guān)系

Z～Q線相關(guān)檢驗(yàn)成果詳見(jiàn)表2。

表2 Z～Q線相關(guān)檢驗(yàn)成果

注：上述3種檢驗(yàn)顯著性水平α值分別采用 0.25、0.05、0.10，k=18，t1-α/2=1.94，︱t︱

3 上游站水位法推流成果分析驗(yàn)證

現(xiàn)將廟崗站推求的流量過(guò)程及日平均流量與襄陽(yáng)水文站利用水平式ADCP推流成果進(jìn)行對(duì)照分析，如圖7～8所示，兩站過(guò)程完全相應(yīng)。

圖7 上游站水位法與水平式ADCP逐時(shí)流量對(duì)照

由此說(shuō)明，采用本文方法推算廟崗站流量過(guò)程，方法正確，成果準(zhǔn)確可靠。現(xiàn)將采用上述方法推求的月平均流量與下游鄰站余家湖作水量對(duì)比分析，詳見(jiàn)表3～4。

圖8 上游站水位法與水平式ADCP逐日平均流量對(duì)照

通過(guò)表3～4分析可以看出，上述方法推求水量加區(qū)間來(lái)水與下游站余家湖站水量一致，其誤差符合規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析可知，當(dāng)上游站廟崗站水位在68.41～71.16 m時(shí)，可采用以上水位流量關(guān)系推求襄陽(yáng)水文站流量過(guò)程，其回歸方程可采用y=101.99x2-13 696x+460 028。2015年度襄陽(yáng)水文站因水平式ADCP故障未監(jiān)測(cè)到的成果，可采取以上方法進(jìn)行補(bǔ)充完善。

表3 測(cè)段及區(qū)間各站月平均流量對(duì)照

表4 總水量對(duì)照