枯水期蘆苞(二)水文站實時流量監測研究

龍悅敏

(廣東省水文局清遠水文分局，廣東 清遠 511500)

0 引言

北江是廣東最重要、最復雜的河流之一，自北向南流經廣東省6個地級市36個縣(市、區)，支流眾多，集水面積在1000 km2以上的一級支流有10條，因此給北江流域的河長制、湖長制管理帶來很大的難度和復雜性。

枯水期水量對河湖水質及突發水環境事件的及時應對有重要意義，但位于北江干流的蘆苞(二)站缺少流量監測，為進一步提升水文服務河長制基礎保障能力，需要建立蘆苞站的實時流量監測方案。

1 水文站概況

1.1 蘆苞(二)站

蘆苞(二)水位站位于北江干流，靠近佛山市三水區蘆苞水閘，集水面積約為39200 km2。枯水期時蘆苞水位(珠江基面)通常在0.0 m～2.0 m間波動，受潮水的嚴重頂托，每天的水位過程都有明顯的兩個高潮和低潮，由于低水位時水位流量對應關系差，且在目前的水文技術條件下，很難通過常規的水文方法測量得到實時流量，因而需要通過其他技術手段獲取蘆苞斷面實時流量。

1.2 石角站

石角水文站位于清遠市清城區石角鎮，集水面積38363 km2，是北江流域總控制站。石角站常規的流量測驗方法為在線自動測流與走航式ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)測流相結合，流量低于6000 m3/s時采用在線自動測流，測量間隔為1 h；流量高于6000 m3/s時則用走航式ADCP測流。石角站平均每年流量測驗次數在70次左右。

石角站流量在6000 m3/s及以上時，水位流量關系較好，可以通過查水位流量關系曲線獲得實時流量；流量在6000 m3/s以下時，可以通過在線自動測流設備獲得實時流量。

1.3 研究路線

石角-蘆苞區間河長約24 km，石角站與蘆苞(二)站集雨面積相差約840 km2，兩站集水面積差占石角站集雨面積的2.2%，占蘆苞(二)站集雨面積的2.1%，區間內只有漫水河一條主要支流。

根據區間水量平衡原理，石角流量與漫水河流量之和為蘆苞流量。劉中峰[1]等人在研究蘆苞涌分流量變化時，對石角站、蘆苞站1953年7月～1962年12月同步監測的逐日水位數據進行分析發現，兩站點水位變化規律一致，具有較好的相關性，可由石角水位得到蘆苞水位。因此，在確定旁側入流的影響后，可通過水位相應法分析石角-蘆苞區間水流傳播時間，若無法忽略旁側入流，則在后續分析中需考慮旁側入流對干流河段的水流傳播時間的阻滯和分流作用，最后確定石角逐時流量與蘆苞逐時流量的對應關系。

2 漫水河流量

漫水河作為石角斷面下游匯入北江的主要支流，干流長75 km，集水面積為775 km2，河流平均坡降為2.68‰。通過查找歷史水文資料，查得漫水河流域多年平均年降雨量為1970.4 mm，多年平均年徑流深為1188.3 mm，徑流系數為0.6。

由于漫水河缺少逐時流量資料，故通過已有資料數據計算得漫水河多年平均徑流量和多年平均流量，漫水河、石角的多年平均流量之間的比例見表1。

表1 漫水河和石角多年平均流量對比表

結果表明，漫水河流量占石角流量比例平均約2.2%，石角站與蘆苞(二)站集水面積差占石角站集雨面積的2.2%，占蘆苞(二)站集雨面積的2.1%，與漫水河流量占石角流量的比例接近，因此將以石角逐時流量的2.2%作為漫水河逐時流量，同時由于漫水河匯流比例較小，平均坡降小，漫水河對干流水流傳播的阻滯作用可忽略，因此，僅考慮轉換流量時加入漫水河旁側入流量。

3 水流傳播時間

相關系數是用以反映變量之間相關關系密切程度的統計指標，相關程度越高，r值越接近1。定義式為：

(1)

將蘆苞(二)站和石角站2018年～2020年的逐時水位時間序列進行相關系數計算，兩時間序列的相關系數約為0.967，相關程度很高，與劉中峰等人根據1953年～1962年數據系列分析的結果一致。

相應水位[2]是指河段上下站同位相的水位，用相應水位法分析水流傳播時間，即分析下游站出現與上游站同位相的水位所需的傳播時間。以石角站為上游站，蘆苞(二)站為下游站，利用相應水位法估算石角站到蘆苞(二)站的水流傳播時間。

水的流動依靠水位落差實現，石角與蘆苞之間的水位落差受洪水、潮水頂托等作用存在較大差異，通過將石角與蘆苞的水位落差分級，分別統計在不同級別水位落差情況下，各水流傳播時間出現的頻次，其中，當水位差為負值時，蘆苞水位高于石角水位；當傳播時間為負值時，蘆苞峰值出現時間比石角早。

將水位落差分級與傳播時間進行比較，各級水位落差下不同水流傳播時間出現的次數結果表明，水位差集中在±0.2 m范圍內，水流傳播時間集中在±1 h和0 h，且以0 h和-1 h為主，此時，石角水位與蘆苞水位落差略小，水流多為從蘆苞倒流至石角；當水位差增大，水流傳播時間擴大到±3 h甚至5 h。

對比兩站降雨與水位序列發現，水位差的增大與由降雨引起的洪水有關，而由于蘆苞水位受西、北江洪水影響，若西江洪水占優，西江洪水通過下游思賢滘分流到北江干流，蘆苞水位壅高；若北江洪水占優，北江洪水通過下游思賢滘分流到西江干流，加快洪水的宣泄，蘆苞水位加速下降，導致蘆苞水位峰值出現時間延后或提前，因此水流傳播時間存在大于1 h的情況。

綜合石角、蘆苞水位及各級水位差情況下水流傳播的情況，枯水期石角、蘆苞水位多在1 m～2 m間波動，且水位落差多在0 m～0.2 m之間，在該水位落差區間內，水流傳播時間以0 h和-1 h為主，因此，枯水期時石角-蘆苞區間水流傳播時間取-0.5 h，負號代表水流方向從蘆苞流向石角。

4 流量轉換

基于區間水量平衡原理，蘆苞流量為石角流量與漫水河流量之和，其中，漫水河流量為石角流量的2.2%；通過相應水位法分析石角-蘆苞區間水流傳播時間，可將石角流量轉換為蘆苞流量，考慮石角流量數據是每小時讀取，因此，石角流量與蘆苞流量的轉換關系為：

(2)

5 結語

本文基于對水流傳播時間的分析，以相應水位法將上游石角水文站流量轉換為下游受潮汐影響而難以準確測量流量的蘆苞水文站的流量。在水流傳播的分析中，潮汐通過頂托上游來水進而影響水流傳播的方向及時間，在技術手段不斷完備的將來，如何排除潮汐對近海水文站流量測量的影響，是水文測量技術未來發展的方向。