采用比降面積法推求臨沂水文站洪峰流量淺析

（山東省臨沂市水文局 臨沂 276001）

1 測(cè)站概況

臨沂水文站是沂河干流控制站，為國(guó)家重要水文站，設(shè)立于1950年3月，該站以上河道干流長(zhǎng)227.8km，平均坡度0.96‰，集水面積10315km2。2005年6月1日斷面上遷800m。該站比降上、下斷面間距500m，比降下斷面與基本水尺斷面重合。比降上斷面寬1500m，下斷面寬1450m。比降上、下斷面形狀見圖1。測(cè)驗(yàn)河段基本順直，無支流加入。河床由細(xì)沙、巖石組成。

比降面積法作為該站在無法使用流速儀法、浮標(biāo)法、聲學(xué)多普勒法和其他測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)，而臨時(shí)使用的一種應(yīng)急測(cè)流方法，已列入該站測(cè)洪方案。本文對(duì)采用比降面積法推求該站的洪峰流量進(jìn)行了初步分析。

2 比降面積法簡(jiǎn)介

2.1 適用條件

比降面積法是依據(jù)水文測(cè)驗(yàn)河段實(shí)測(cè)的水位、斷面等資料，用水力學(xué)公式計(jì)算河道瞬時(shí)流量的一種方法。規(guī)范指出，遇有下列情況時(shí)，可采用比降面積法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)：高洪期斷面較為穩(wěn)定，水面比降較大的測(cè)驗(yàn)河段；水位漲落急劇，水深小、漂浮物多，不宜使用流速儀法、浮標(biāo)法測(cè)流時(shí)；洪水期含沙量較大，無法使用ADCP 等超聲波或其他的測(cè)流方法時(shí)；洪水超出測(cè)站的測(cè)洪能力；因洪峰漏測(cè)，需要進(jìn)行洪水調(diào)查推算洪峰流量；洪水超出允許水位變幅的巡測(cè)站、間測(cè)站；突發(fā)水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)，如決口、潰壩、分洪等。

2.2 流量計(jì)算公式

規(guī)范對(duì)比降面積法提出了三種流量計(jì)算公式，分別是恒定均勻流、恒定非均勻流和非恒定流公式。河道比降斷面相同，測(cè)驗(yàn)河段內(nèi)河槽形狀均勻一致，可采用恒定均勻流公式（即曼寧公式）計(jì)算流量；洪水峰頂和水流平穩(wěn)期，河段順直，僅斷面沿程收縮或擴(kuò)散時(shí)，可采用恒定非均勻流公式計(jì)算流量；順直河段斷面沿程收縮或擴(kuò)散，洪水漲水和落水過程，可采用非恒定流公式計(jì)算流量。本文分析目的是采用比降面積法推求臨沂站洪峰流量，故可采用恒定非均勻流公式計(jì)算流量，公式如下：

式中：

Q—恒定非均勻流流量，m3/s；

S—恒定流流態(tài)下的實(shí)測(cè)水面比降

Zu—比降上斷面水位，m；

圖1 臨沂站2020年比降上、下斷面圖

Zl—比降下斷面水位，m；

L—比降上、下斷面間距，m；

Au、Al—比降上、下斷面過水面積，m2；

g—重力加速度，取9.81，m/s2；

ξ—斷面沿程收縮或擴(kuò)散系數(shù)（收縮取負(fù)號(hào)，擴(kuò)散取正號(hào)），收縮時(shí)可取ξ=0；斷面突然擴(kuò)散時(shí)可取ξ=0.5～1.0；逐漸擴(kuò)散時(shí)可取ξ=0.3～0.5；

α—?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)，與斷面流速分布有關(guān)，一般α=1.01～1.15。山區(qū)河流底坡較大，斷面不規(guī)則，流速分布不均勻時(shí)，用下式近似計(jì)算：

Vm為斷面上最大點(diǎn)流速，m/s；V為斷面平均流速，m/s；

Ru、Rl—比降上、下斷面的水力半徑，m；

n—河床糙率。

2.3 關(guān)鍵因素

比降面積法測(cè)流，對(duì)流量精度影響最大的因素是糙率。糙率是反映河床、岸壁形狀的不規(guī)則性和表面粗糙程度的系數(shù)，在水流運(yùn)動(dòng)過程中直接影響沿程能量損失的大小。糙率值一般較小，選用時(shí)稍差一點(diǎn)，就會(huì)引起流量計(jì)算較大誤差。要根據(jù)河流資料情況，盡可能用已有資料分析糙率及其變化規(guī)律，建立糙率與水位或其他水力因素相關(guān)關(guān)系。

3 糙率曲線分析

選取臨沂站1957—2019年發(fā)生的11 場(chǎng)較大洪水峰頂附近的實(shí)測(cè)糙率資料，點(diǎn)繪水位與糙率關(guān)系點(diǎn)據(jù)，通過點(diǎn)群中心定出一條光滑曲線，發(fā)現(xiàn)該站水位與糙率的綜合關(guān)系線呈弓形（見圖2），糙率在0.024～0.036 之間，水位62.80m 以下，糙率隨水位的增高而增大；水位62.80m 以上，糙率隨水位的增高而減小。采用比降面積法返回驗(yàn)證，流量計(jì)算成果見表1。

圖2 臨沂站水位與糙率關(guān)系圖

表1 臨沂站糙率曲線返回推流驗(yàn)證成果表

表2 采用比降面積法推求臨沂站洪峰流量成果表

由表1可以看出，計(jì)算流量最大相對(duì)誤差為40.5%，累積頻率75%的相對(duì)誤差為18.5%，累積頻率95%的相對(duì)誤差為31.0%，平均系統(tǒng)誤差為14.2%（超過規(guī)范規(guī)定5%），相對(duì)誤差小于20%的點(diǎn)據(jù)占80.6%。這說明現(xiàn)狀將比降面積法作為該站一種常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)方法其精度不能滿足規(guī)范要求，但將其作為該站在無法使用流速儀法、浮標(biāo)法、聲學(xué)多普勒法和其他測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)，而使用的一種應(yīng)急測(cè)流方法又具有一定的測(cè)流精度保證。

4 推求洪峰流量示例

2020年8月13 —14日，受副高邊緣西南暖濕氣流和冷空氣共同影響，臨沂市出現(xiàn)了一次極端強(qiáng)降雨天氣過程，臨沂站實(shí)測(cè)最大流量10900m3/s，為1960年以來最大。洪峰流量發(fā)生時(shí)，實(shí)測(cè)水面比降2.6?。采用比降面積法計(jì)算流量為11700m3/s，相對(duì)誤差為7.1%，見表2。

5 結(jié)語

本文通過分析認(rèn)為，現(xiàn)狀將比降面積法作為臨沂站一種常規(guī)流量測(cè)驗(yàn)方法其精度不能滿足規(guī)范要求，但在該站無法使用流速儀法、浮標(biāo)法、聲學(xué)多普勒法和其他測(cè)流方法施測(cè)流量時(shí)，可將比降面積法作為一種應(yīng)急測(cè)流方法來推求洪峰流量，具有一定的測(cè)流精度保證。

比降面積法具有簡(jiǎn)便、快速、安全、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，影響其流量計(jì)算精度的因素除糙率外，還有水面比降、過水面積、水力半徑、斷面沿程收縮或擴(kuò)散系數(shù)、動(dòng)能校正系數(shù)及主槽、灘地是否分開計(jì)算等，今后要加強(qiáng)研究，提高測(cè)流精度■