河道水位流量預報方法研究

梁成民

摘要： 本文結合河道水位水波的運動波近似值，建立了河道水位流量和水位預報方法。為河道的規劃設計和防洪調度提供了決策依據。

關鍵詞： 河道水位流量預報方法變特征河長瓊斯公式

當河道面臨洪水時，在預報中最為重要的水文要素便是水位和流量的預報。許多國家在現在河道的水位流量預報中都采用的是馬斯京根流量演算法，但是這種方法包括它的一些改進方法都不能對水位進行最準確和有效的預報。一些傳統的預算方法是通過研究洪水的傳播問題來推斷河道下游的流量和水位，一旦出現了兩江交匯的情況，這種算法就變得很復雜。要想預報準確有效的水位流量，就必須首先通過洪水來進行計算，再根據客觀的數據來推算出河道水位和流量的變化規律，進而對河道斷面處的流量和水位的不同的變化過程進行預報。

一、河道水位流量關系

水位流量關系河渠中某斷面的流量與其水位之間的對應狀態。這項關系要根據當地的不同水流情況的多次實測流量和其相應的水位來確定，通常用經驗曲線、經驗方程或表格等形式表達。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。水位流量關系有穩定的，也有不穩定的。流量測驗技術比較復雜、耗資比較昂貴，難以連續進行，而連續地觀讀水位則容易辦到，因此通常將連續的水位資料，通過水位流量關系推算、轉換為連續的流量資料，供水文計算或水文預報分析使用；有時也因某種需要，由流量通過水位流量關系反推水位，如河道防汛水位，閘壩電站下游水位等。所以，水位流量關系具有重要的實用意義。

1.穩定的水位流量關系。在較長時期內，某斷面的實測流量與相應水位的點據呈密集帶狀分布，可用一條單一曲線來表示。這就是穩定的水位流量關系。水位流量關系維持穩定，必須具備下列條件之一：

（一）斷面面積、水力比降和糙率等水力因素在同一水位時，維持不變。

（二）在同一水位時，上述各因素雖有變動，但其變動對水位流量關系的影響可以互相補償。在這種條件下，同一個水位，就只有一個相應的流量，水位流量關系就成為單一的曲線。水文測站斷面總是盡可能選擇在那些具備基本穩定條件的地方，必要時，用人工鋪設固定河床或在斷面下游附近建造攔河低堰等方法來創造這種穩定條件。應用穩定的水位流量關系對于編制逐日平均流量、洪水水文要素摘錄表和因工程設計或防汛需要推求各種水位或流量都十分方便。

2.不穩定的水位流量關系。因受一種或幾種因素的影響，實測流量與相應水位的點據不能呈密集帶狀分布，難以用一條單一曲線表示，同一水位（或流量）具有多個流量（或水位）與之對應，這就是不穩定的水位流量關系。引起這種水位流量關系變動的因素有：

（一）河床沖淤，使同水位的斷面面積發生變化，影響流量，多沙河流沖淤嚴重，這種變化尤為劇烈；

（二）洪水漲落，漲水與落水階段，河道水面比降不同，流速不同導致同水位下流量不同，漲落急劇的河流，這種變化比較明顯；

（三）變動回水，在河流的中下游，河渠水位受支流匯合、閘門啟閉、湖水頂托等影響，使水面比降發生變化，引起水位流量關系的不穩定；

（四）結冰、水生植物等也能導致斷面面積和糙率等一些水力因素的變化而影響水位流量關系。

3.水位流量關系曲線的延長。如果因條件限制，不能測得最高、最低水位的相應流量，在無實測流量的水位幅度內，要對水位流量關系曲線作高低水的延長。對于高水，往往可以根據實測的、調查的、推估的比降和斷面等資料用水力學公式推算洪峰流量，用相應水位點作為控制，進行延長。對于低水，往往可以找出斷流水位，以該水位與縱坐標的交點作為控制，進行延長。曲線延長是否恰當，會直接影響最大最小流量洪枯水期徑流量等的正確確定，而這些重要數據有時關系到工程設計項目的規模和尺寸，因此在延長時，特別是在外延幅度較大時，必須十分慎重。

二、河道水位流量測驗的經典技術理論

眾所周知，河流斷面上的各個水質點的流速是不相同的，具體的流速分布情況被水利專家們稱為流速場。河道流量測驗的經典技術也被稱為流速-面積法，就是測驗出各個水質點的流速分布情況，進而將流速等直線圖繪制出來，然后通過計算兩相鄰等速線的均值乘以它們之間所夾的面積，并進行累加，從而得到具體的河道流量。例如，一個地區如果海拔高度在2000米左右，該地區上有平原、盆地、高山、峽谷等地形，那么我們在進行該地區的河道流量測驗時就要充分考慮到地形因素，從而使得測驗出來的數據真實可靠，一般都是通過河流的等高線來進行測驗，即首先測驗出相同等高線之間的面積，然后沿著高程的增高而進行累加，進而除以整個地區的河流面積就可以得到準確的河道流量。其用數學公式表達的話就是Q=V·A，即流量等于斷面平均流速乘以過水面積。當然，在實際的河道流量測驗中往往會受到很多因素的影響，對一個地區進行全面的測驗是不現實的，因此在實際工作中，測驗技術人員往往是在斷面的同一起點距上沿著水深垂直方向測驗n個點的流速，然后算出平均值，這就是在河道流量測驗的經典技術理論基礎上延伸出來的垂線平均流速測驗法，這種測驗技術不僅克服了經典技術理論過于理想化的缺點，更是有效地把一條垂線上本不相等的各個水質點流速變成了一條等速垂線，如此河道流量的測驗效率就得到很大的提高。但是，無論是多么先進的測驗儀器，其測驗出來的河道流量都只是“真值”或者說是相對真值，而不是完全精確的河道流量，其中是存在一定的誤差的。

三、河流水位預報的新方法

1.水位與流量關系單值化擬合

在分析河道每日的水位、流量等資料時，可以知道水位流量的擬合關系式。

2.不同的流量及預報時間流量變化的確定

通過之前水位和流量的關系式，可以計算出第二天的日均流量，并能計算出兩日均流量的差值與比值。通過點繪法，就可以得出日均流量與比值之間的關系，以及其關系點的平均線、上包線和下包線。

3.流量的變化引起水位變化的計算

通過利用上包線、平均線和下包線，就可以粗略的估算出第二天河道的流量，進而計算出由于流量的變化而引起水位變化的數值。

4.通過上下站的水位關系來確定下站的可能水位

因為第二天水位可能會發生變化，因此使用點繪法來監測水位之間關系的方法，來確定水位由于流量的變化而引起變化的水位值，從而可以得到三個第二天可能出現的水位值。

5.預報水位計算

通過這三個可能的水位可以計算出三個可能的流量，從而可以計算得出第二天的三個預報水位。

6.第二天實際水位和流量的輸入

在第二天實際觀察測量水位和流量之后，就可以提供第三天水位預報的可能值。預報計算即通過重復以上的六個步驟。但是在實際預報中，只需要按照第二至第六步的步驟來進行計算即可。因為第一步可以通過已經有的數據進行擬合就能得到，就能得到預測水位。同時，如果不進行第六步的計算，直接用第二日的平均預測水位來預報第三日的水位，那么誤差就會相對較大。

四、結束語

本文介紹了新的水位預報方法，依據當天流量、水位可預報本站第二天水位，誤差基本小于1.0m。如按一般水位流量預報計算，復雜的江湖關系給計算帶來極大的困難，需要引入更多的水流條件和河道形態數據，它為河道規劃提供了設計依據，也為河道的防洪減災工作提供了決策依據，具有較強的實用性。

參考文獻

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