基于單值化分析方法的下巴溝水文站水位流量關系研究

2018-10-16 00:33:44李曉勝

水利科技與經濟 2018年9期

李曉勝

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，蘭州 730000)

1 背景資料

1.1 自然地理

洮河是黃河流域較大的支流之一，發(fā)源于青海省海南藏族自治州西傾山東麓，于甘肅省永靖縣匯入黃河干流。洮河全程長673.1 km，比降0.27%～0.36%，流域面積2.55×104km2。洮河河源與河口落差達2 630 m以上，蘊藏有豐富的水能資源[1]。洮河多年平均徑流量為53×108m3，在黃河眾多支流中，其年均來水量僅次于渭河，居于第二位。

洮河流域降水量空間分布不均，受海拔、氣象等因素的影響，洮河流域年降水量在300～600 mm范圍內波動變化。洮河流域年降水量在年內分布上的差異也較為明顯，突出表現為5-10月份(夏、秋)氣溫高、降水多，且以7月份為最大[2]，而以1和12月份的降水量為最小。洮河徑流過程季節(jié)變化線與降水呈相似規(guī)律，但峰值相對降雨稍顯滯后，以7-10月份為豐水期，11月份開始銳減，12-2月份為枯水期，3-6月份則水量逐漸增多。流域豐水期徑流量占全年徑流總量約為56%。

1.2 水文測站概況

下巴溝水文站是國家重要水文測站，建站于1960年1月，位于E103°01′、N34°42′。該水文站是洮河重要控制站，對收集洮河流域水雨情信息和流域防災減災發(fā)揮著不可替代的作用。

1.3 水文測站斷面情況

下巴溝水文站測驗河段控制較好，上下游河道呈S型狀，斷面較穩(wěn)定。基本水尺斷面上游1 km里處建有安果水電站，最大引水流量96.0 m3/s。下巴溝水文站控制斷面于每年4和9月份分別測有斷面詳細高程數據。以每年兩次測得的數據均值作為當年斷面形狀，得到2010-2017年斷面套圖(圖1)，并據此可知下巴溝水文站測驗段河道斷面相對穩(wěn)定。平均河底高程與歷年變化線(圖2)同時顯示，下巴溝水文站斷面高程受沖淤等影響不大，沖淤交替進行，保證了控制斷面良好的一致性。穩(wěn)定的河床斷面有利于該水文站控制斷面水位-流量單值化分析研究的開展。

圖1 下巴溝水文站2010-2017年斷面套圖

圖2 下巴溝水文站2010-2017年斷面平均河底高程與逐年變化線關系

1.4 單值化分析的必要性與可行性

傳統(tǒng)水文測驗方式必須通過大量測次的水文測驗掌握水位流量中的復式繩套變化，以滿足現行人工整編或電算整編的要求，以至于測驗次數既難以精簡次數，又不能停測或者改流量站為水位站。傳統(tǒng)水文測驗方式已與現代水文工作的高效要求相違背[3]。

水位-流量單值化分析工作，將大幅減輕水文測驗工作的頻次和強度，顯著提高工作效率。這既可優(yōu)化外業(yè)測量的實施，又可以提升測量成果質量，實現以人為本、科學發(fā)展的管理模式[4-5]，這將極大推進下巴溝水文站的現代化進程和信息化程度。

下巴溝水文站建立于1960年1月，已采取駐測測驗方式不間斷收集58年以來的逐日水文資料，并在連續(xù)監(jiān)測的基礎上進行數據分析，完成了本流域的基本水文特征數據收集工作。該站控制斷面經多年觀測和大洪水考驗，斷面基本穩(wěn)定；其水位流量關系亦符合《水文巡測規(guī)范》[6]等有關單值化分析資料的相關要求。因此，洮河下巴溝水文站水位-流量關系單值化分析是可行的。

2 水位流量關系單值化分析

2.1 資料選取

此次水位流量關系單值化分析采用下巴溝水文站2010-2017年共8年的逐日水位流量資料。樣本資料包含了自2010-2017年逐日水位流量資料，數據的測驗方法均嚴格按照《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-1993)[7]的相關要求進行收集，資料的可靠性、一致性、代表性審查結果均為良好。選取下巴溝水文站上下游相鄰測站作為輔助站，兩者距下巴溝水文站分別為13和22 km。

2.2 分析方法選取

現行水位-流量關系單值化分析方法較為常用的有組合因子法[8]、落差指數法[9]等。考慮到目前下巴溝水文站測驗斷面相對穩(wěn)定，水位-流量關系主要受洪水漲落和下游回水頂托的影響，利用下巴溝河段現有的水文站網資料，最終采用綜合落差指數法[10]開展水位-流量關系單值化研究。

綜合落差指數法計算水位-流量關系的公式為：

(1)

式中：q為校正流量，m3/s；Qm為實測流量，m3/s；ΔZm為綜合落差，m；α為落差指數。

ΔZm為綜合落差，是考慮了上游洪水漲落與下游回水頂托的綜合影響，可將其分解為：

ΔZm=km1·ΔZm1+km2·ΔZm2

(2)

式中：ΔZm1為上游輔助水尺至本斷面的落差，m；ΔZm2為本斷面到下游輔助水尺的落差，m；km1為上游輔助水尺至本斷面的落差系數；km2為本斷面到下游輔助水尺的落差系數。

整理得出綜合落差指數法計算水位-流量關系的公式為：

q=Qm/(km1·ΔZm1+km2·ΔZm2)α

(3)

2.3 落差系數及其確定

落差指數初選值按照取α=0.5，km1、km2的初選值取測站上游輔助水尺至下巴溝水文站基本水尺之間的距離占上下游輔助水尺之間總距離的比值，即km1=13/35=0.371，km2=22/35=0.629。采用試錯法，通過MATLAB編程計算，確定最終km1、km2取值。方法為首先固定α=0.5不變，依據方差或標準差最小的原則，然后按合適的計算步長不斷調整km1、km2的值，并將其代入式(3)中計算實測流量對應的校正流量，分別繪制水位-校正流量關系曲線。根據適線情況反復調整參數，直到各年水位-校正流量關系曲線有較好的線型分布，且呈單一曲線關系。各年曲線通過符號檢驗、適線檢驗和偏離數值檢驗，最終取值為km1=0.354，km2=0.646，α=0.63。

由此計算所得的下巴溝水文站水位-校正流量關系公式為：

q=Qm/(0.354ΔZm1+0.646ΔZm2)0.63

(4)

3 成果檢驗

3.1 歷年水位流量演變

選取2010-2017年下巴溝水文站水位-流量數據，并點繪歷年水位-流量關系圖。由圖3可知，2012-2014年水位-流量曲線呈現逐年左移的趨勢，原因在于水文站上游附近違法占用河道現象嚴重，使河道收束。經2014年底整治后，恢復河道原貌。但由于氣候原因，2010-2013年的水位-流量關系曲線均呈現單一關系曲線，而2014-2017年均出現2條臨時低水曲線。

圖3 下巴溝水文站歷年水位-流量關系圖

3.2 水位-流量關系曲線檢驗

根據《水文巡測規(guī)范》(SL 195-1997)的要求，采用 2010-2017年實測流量中分別選取2011、2013和2017年作為豐、平、枯3個代表年份進行單值化分析，利用綜合線進行流量推定，并推算年徑流總量、汛期總量和一次洪水總量，與原有整編成果進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結果見表1。結果顯示，按照綜合落差指數法推算所得的結果，各時段徑流量在豐水年結果較原整編方法稍大，而在枯水年則稍小于原整編成果。但通過該方法法得出的下巴溝水文站水位-流量單值化分析成果的精度，符合《水文巡測規(guī)范》(SL 195-1997)的相關要求。