基于水位流量單值化處理的測驗條件分析

趙文旭

（陜西省水文水資源勘測局，陜西 西安 710068）

1 引言

流量是江河水資源狀況以及湖泊、水庫等水量變化衡量的重要因素。流量測驗則是反映江河徑流、水量瞬時變化資料的重要手段。建立河流、渠道水位流量相關關系是水文測驗掌握河流變化規律的重要方法之一。通過時段內斷面實測水位、流量數據及時建立或修正相關關系不僅可以反映定時期內河流、渠道兩者變化規律，而且還可預測范圍要求內的流量大小，起到河流洪水預防效果。

探索水文要素之間規律是水文測驗的重要目標之一。通過基本水尺斷面水位觀測，依靠流量測驗斷面確定斷面流速，建立水位流量相關關系。依據關系可提高測驗精確度、簡化測驗步驟。實時測驗水位、流量可起到精準校驗關系效果，為實現河流水位流量測驗可控、可預測做好鋪墊。率定各種氣候條件下的河流水位流量關系條件，則是簡化測驗步驟的必要條件。

2 水位流量關系

水位流量關系建立一般是基于測驗河道內固定的基本水尺斷面、測流斷面隨時間無大的地形變化，相對河流流量的測驗比較穩定；布設水位、流量測驗設備相對固定，測驗方式不變或者相近。能確保所測量的水位、流量數據形成穩定的資料系列。

2.1 斷面流速測驗

斷面流速測驗要求斷面處河流經過的地勢平緩、河流順直段，河內無大的石礫或者泥沙相對穩定處。流速測驗一般均采用類微分積分布點，逼近平均流速法計算獲得。可選取單點測點或區域面（剖面）等。可用下式表示：

式中：V 為沿河流方向脈動流速；l、h 分別為斷面水寬、斷面水深為流速在面單元上的分布；N1，N2分別為水寬、水深上的測量單元點數。

斷面流速測驗通常采用點流速測法，即利用斷面上固定一點流速與平均流速建立相關系數，通過測量一點流速大小，計算得到斷面平均流速。點測流速通常借用流速儀、浮標、聲學傳輸介質、磁力場等設備。

2.2 斷面流量測驗

流過測驗斷面的瞬時流量，即斷面徑流量,河流流量測量時，由于地形地貌、自然環境等影響因素，無法做到時刻對應，因此測驗一般是通過以下步驟完成：

（1）斷面面積測量。

河底高程測量 Ht′″,n′″，計算時段內河底平均高成減去河底高程即得到斷面水深；推算時段內斷面面積At′,n′。

（2）流量推算。

通過所測的斷面平均流速與斷面面積相乘即得斷面流量，即流量（T：時段，N：測次)，其中為測流斷面平均流速。

另外還可用比降公式推算流量。測驗河段內河流比較順直，河床無明顯的變化且流量斷面上下游比降比較明顯，當河水較大或漲落急劇、流速儀來不及施測時，可采用比降面積法。即：

其中A、V、n、R、S 對應為測驗河段的平均斷面面積、流速、糙率、水力半徑、比降。

2.3. 水位、流量測驗采用儀器

流量測驗時，由于河流流水特性在多時條件下比較復雜，流量測驗斷面采用手段比較多。一般一年內枯水期流量采用流速儀測驗流量數據系列為Q1, 小浮標測驗流量數據系列為Q2；低水期流速儀、電波流速儀對應Q3、Q4；中水期采用流速儀、均勻浮標、雷達流量計對應Q5、Q6、Q7；高水期采用中泓浮標、雷達流量計、比降面積計算等對應 Q8、Q9、Q10……

2.4 水位流量單值化處理

通過數年連續時間段內對測驗斷面的流量測驗，形成流量數據系列：（T1（Q11，Q12，……Q1n)、T2（Q21，Q22，……Q2n)……Ti（Qi1，Qi2，……Qin),i 為整數年，n 為測驗系列個數）。τn為（Q11，Q21，……Qi1）、（Q12，Q22，……Qi2）……（Q1n，Q2n，……Qin）關系變換。

若τ1=τ2=……=τn，且水位流量在時間段內為單值對應，則水位、流量為一對一關系。亦可關系變換后可用單一曲線衡量測驗過程的水位、流量偏差，測驗中常用函數曲線逼近處理，繪制出關系曲線。τ 若為 1 變換，則水位、流量是天然理想對應狀態。τ1、τ1、……、τn互為不全相等的變換，且水位與流量在時間段內經過τ 變換處理可以為單值對應。則流量是單值化處理條件下與水位的對應關系，可用單一曲線衡量測驗過程的水位、流量偏差，測驗常用函數曲線逼近處理，繪制出關系曲線。

（（Qi1，Qi2，……Qin）在測驗條件比較復雜條件下，水位、流量呈無規律分布，則測驗一般以單獨系列分析為主。

3 測驗條件分析

3.1 測驗斷面布設

陜西省跨黃河、長江兩大流域，在地理分布在東經105°29′～111°15′，北緯31°42′～39°35′間，按照站網布設原則，全省水位、流量測驗數據系列的斷面分布[1]見圖1。

圖1 陜西河流流量測驗斷面分布

3.2 河流及斷面特征

黃河流域窟野河、無定河、延河、北洛河及其支流地處黃土高原、關中平原區。陜北黃土高原地勢呈西北高，東南低。地貌多為黃土塬、梁、峁、溝等。黃河主干在此區域以南北走勢為主，支流河以西北至東南流向。氣候多屬中溫帶干旱大陸性季風氣候，夏雨驟而歷時短、雨量分布不均，冬干燥、寒冷、多風沙。根據河流水文特性、河段地勢特點，現設有13 處基本水文站連續監測水位流量，形成了連續數據系列。窟野河神木（二）測驗斷面河流汛期表現水位峰高，水量小，流量峰歷時短的特性，偶有復式峰，低水監測水位、流量受人類活動影響程度較大；無定河趙石窯站渠道測驗水位流量關系曲線單一，河道斷面測驗流量則受影響因素較多；延河安塞測驗斷面汛期水位峰高，水量小，流量峰歷時短。北洛河劉家河、交口河、狀頭分屬上、中、下游，河流測驗斷面特性均表現為水位變化急劇、流量峰高量大，歷時較短。

渭河、涇河、伊洛河及其支流處于關中平原區。關中平原地勢西高東低，中部較為平坦寬闊，地貌多顯階梯狀。氣候屬溫帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。現有31 處連續水位流量監測斷面數據，其中渭河、涇河、伊洛河干流上林家村（三）、魏家堡（眉縣）、景村、張家山、靈口測驗斷面，水位、流量隨環境變化較大，水峰主要來源于降雨。

長江流域漢江、嘉陵江、丹江及其支流處于秦巴山地。地勢北高南低，氣候多屬亞熱帶季風氣候，雨量充沛，氣候濕潤。現連續監測水位流量有42 處斷面，嘉陵江略陽測驗斷面水峰主要由降雨形成，水位流量變化比較急劇。丹江丹鳳（三），漢江漢中、安康（二）測驗斷面受影響因素較多，水位流量變化復雜；蜀河測驗斷面呈現水位流量峰高量小、歷時短的特性。各河流測驗特征統計見表1。

表1 各代表河流斷面水文特征值表

3.3 斷面控制條件分析

3.3.1 實測大斷面

河流經過固定大斷面測量，和斷面垂線上流速測量的有限點累積形成流量值，所以斷面面積測量、計算直接影響流量成果。

流量單值化條件下，河流窟野河、無定河、延河、北洛河測驗斷面沖淤變化較大；渭河、涇河、伊洛河測驗斷面相對穩定，但測驗條件變化比較復雜；漢江、嘉陵江、丹江測驗斷面比較穩定。通過對涇河支流黑河張河測驗斷面1994 年～2015 年的變化分析，2011 年～2015 年斷面淤積，如圖2 所示，再選取斷面1994年～2015 年實測流量值，點繪水位流量關系圖，見圖3，而2011年～2015 年測點明顯在水位流量關系曲線上方，同一級水位而流量偏小，從而說明斷面的變化對水位流量關系影響較大。

斷面的沖淤變化直接影響水位、流量關系確定，是水位流量單值化條件下最大的影響因素。

3.3.2 測驗方法

確定水位流量關系特性采用的一般方法有：綜合落差指數法、擬合法。擬合法:通常包含冪函數（拋物線）法、雙曲線法、多函數逐步回歸法。

綜合落差指數法[2]實測流量，ΔH:測流時間內的落差，β 落差指數。則衡量流量影響因素主要有：（1）河流上游來水漲落率；（2）河流下游回水；（3）斷面沖淤變化；（4）條件下干預河流其他因素。

圖2 黑河張河測驗斷面歷年

水位流量單值化是在測驗條件多變條件下，通過尋求水位流量關系，達到預測河流量目的。基于關系率定條件，一般分為穩定河床水位流量關系單值化處理和不穩定河床水位流量關系單值化處理。穩定河床水位流量關系可通過單一曲線或者分時分段曲線判定適應條件單值化處理，對于不穩定河床水位流量關系可通過界定條件或者變換影響關系來率定，使得水位流量單值化，如：組合因子法[3]、模糊粗糙集理論處理法[4]等。

陜西省漢江各河流流域水位流量單值化處理多采用綜合落差指數法，由于漢江、嘉陵江、丹江測驗斷面較穩定，單值化率已近70%，渭河、涇河、伊洛河測驗斷面相對穩定，單值化率已近50%，窟野河、無定河、延河、北洛河測驗變化比較復雜，單值化率定僅達20%。

3.3.3 測驗設施設備

在陜西段各河流斷面流量測驗一般采用流速儀、浮標、雷達流量計、電波流速儀等設施設備作為測流儀器。通過施測一點與斷面平均流速相關系數推算或者多點類積分逼近平均流速法計算斷面流量。如果受測驗環境限制，則通過斷面上下比降測量推算流量，流量變幅與河段比降變幅相關[5]。

4 結論

分析水位流量單值化條件，優化測驗方法、簡化測驗步驟，為全面實現水文巡測創造技術條件。但由于河流狀況參差不一，水文特性隨著環境條件多端變化，水文測驗新技術不斷發展，設施設備不斷自動智能化的促進下，尋求測驗環境下的共同條件，節約測驗資源，進而自動一體控制河流測驗就顯得尤為重要。