臨時(shí)曲線法定線推流問(wèn)題探討

陳 楊

(新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣 830052)

0 引 言

八家戶(hù)站是省級(jí)重要水文站，1983年由紅山頭水文站向上遷33km建立并觀測(cè)至今，紅山頭水文站同時(shí)撤站。八家戶(hù)水文站所在測(cè)驗(yàn)河段順直，無(wú)岔流、串溝，單式巖石河床，河底為砂礫、卵石，河道有沖淤現(xiàn)象。該站汛期主要用自記水位計(jì)觀測(cè)水位，非汛期為水尺觀測(cè)，測(cè)量設(shè)施為L(zhǎng)S25-1型流速儀，其暢流期流量資料整編采用臨時(shí)曲線法，冰期采用實(shí)測(cè)流量過(guò)程線法。

我國(guó)相關(guān)防洪規(guī)范中大多為防洪工程措施的相關(guān)規(guī)定，水力學(xué)計(jì)算部分少之甚少，且無(wú)具體公式，雖然水力學(xué)教科書(shū)中進(jìn)行了天然河道水面曲線的詳細(xì)論述及計(jì)算方法的演示講解，但是其均屬于常規(guī)性算法。而天然河道符合測(cè)站水文特性的水位-流量、水位-流速及水位-面積關(guān)系曲線的定線過(guò)程對(duì)水文測(cè)驗(yàn)、資料整編等要求較高，同時(shí)也與定線人員對(duì)水文學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握與應(yīng)用程度有關(guān)。

1 臨時(shí)曲線法定線理論

天然河流水文測(cè)站集水面積降水量受到流域坡降、水面比降的的影響后而產(chǎn)生的重力加速度形式的流動(dòng)即為測(cè)流斷面徑流量，凈雨量經(jīng)過(guò)坡面匯流、河槽調(diào)蓄、水工建筑物攔蓄、引排調(diào)節(jié)、糙率等的影響和作用后會(huì)表現(xiàn)出沖淤及斷面形狀的變化，斷面流速均值[1]可以用以下函數(shù)表示：

(1)

當(dāng)斷面流速均值近似為穩(wěn)定不均勻流速時(shí)，可表示如下：

(2)

式中：R為水力半徑，即斷面面積/濕周，對(duì)于寬線河道，可用水深均值h近似代替。

(3)

式中：Q為流量；B為水面寬；h、B均為水位的函數(shù)。

由于流量、流速及面積均為水深的函數(shù)，所以，八家戶(hù)站臨時(shí)曲線法定線線形可借鑒人工渠道[2]表示如下：

A=K1hα，α≥1

(4)

(5)

Q=K3hγ，λ=(α+β)>1

(6)

水位-流量曲線為向下凹進(jìn)的增值曲線，水位-流速曲線為向上方凹進(jìn)的漸近曲線，而且在水庫(kù)回水、水工建筑物、流域面積、地質(zhì)構(gòu)造、坡度等因素的影響下，水位-流量曲線和水位-流速曲線形狀并不相同。

2 臨時(shí)曲線法定線推流

2.1 臨時(shí)曲線法定線及變化規(guī)律

臨時(shí)曲線法對(duì)于不經(jīng)常性沖淤測(cè)站以及受水草生長(zhǎng)影響的天然河道較為實(shí)用，在其水位流量關(guān)系穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行定線，并以過(guò)渡方式連接各臨時(shí)曲線，進(jìn)行流量推求。其基本原理為：構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定時(shí)段內(nèi)的單一關(guān)系曲線，并對(duì)相鄰曲線間過(guò)渡時(shí)段進(jìn)行處理，直接根據(jù)水位在相應(yīng)時(shí)段曲線上進(jìn)行流量推求。

八家戶(hù)站臨時(shí)曲線法定線示意圖詳見(jiàn)圖1，流域面積、地質(zhì)構(gòu)造、坡度及水工建筑物等測(cè)站水文特性對(duì)水流所形成的綜合作用力近于恒定，并對(duì)水流形態(tài)變化造成影響，影響程度的大小主要與一定時(shí)段內(nèi)雨強(qiáng)、凈雨量、產(chǎn)匯流及土壤含水量等因素有關(guān)。根據(jù)相關(guān)原理，水流形態(tài)光滑度阻力系數(shù)按照下式確定：

圖1 八家戶(hù)站臨時(shí)曲線法定線示意圖

(7)

式中：F為引起斷面沖淤變化的水流作用力；γ為河床表層泥沙質(zhì)及懸移質(zhì)黏著力；α為水流正投影面積；v為相應(yīng)流速；G0河床水重量。

根據(jù)上式，當(dāng)F≤G0，水中懸移質(zhì)下沉并推移至河床形成淤積；而當(dāng)F>G0，則河床沖刷。考慮到本測(cè)站所在流域流速橫向分布不均，沖淤并存時(shí)有出現(xiàn)，洪水漲水段比落水段沖刷大。通常情況下，臨時(shí)曲線法定線條數(shù)和產(chǎn)流及洪水特性有關(guān)，該測(cè)站大水年出現(xiàn)幾場(chǎng)較大洪水，同水位累計(jì)最大斷面沖淤面積為104.3m2，最大流量變差16.4m3/s，且水位流量曲線數(shù)從非較大洪水期的2-5條增加至較大洪水期的5-11條。在大致相同的產(chǎn)流條件下，各年各曲線及河底平均高程取值均較為接近。

2.2 定線要求

八家戶(hù)站水文特性主要受到漲落率、沖淤及時(shí)段性回水等的綜合作用，為確定相關(guān)時(shí)段，還應(yīng)進(jìn)行測(cè)站附近水庫(kù)、筑壩等水工建筑物引排水量，是否存在潰堤、垮壩、引入及分流，水面線有無(wú)明顯變化，流量、降水等變化過(guò)程，是否通過(guò)纜道、橋測(cè)等測(cè)流方法及測(cè)流精度，控制性水位、流量及插補(bǔ)方法，產(chǎn)流及斷流時(shí)間，是否存在漏測(cè)較大峰谷的分析。

為采用臨時(shí)曲線法進(jìn)行測(cè)站定線，應(yīng)運(yùn)用較大的比例尺，并放大讀數(shù)差在2.5%以上的曲線，對(duì)于測(cè)點(diǎn)數(shù)少于5個(gè)的情況一般只放大流量線，臨時(shí)斷面測(cè)點(diǎn)數(shù)少于3個(gè)時(shí)僅分析流量線，其余曲線不受測(cè)點(diǎn)數(shù)的限制。所繪制的各曲線均應(yīng)符合相應(yīng)水文特性，由于水流表現(xiàn)出很強(qiáng)的漸變性、流動(dòng)性和相似性，所以各曲線總體變動(dòng)趨勢(shì)較為相似，且主線段更加平順、流暢、圓滑、無(wú)交叉、無(wú)反曲。

2.3 定線程序

以八家戶(hù)站推流過(guò)程中最大水位變動(dòng)幅度的25%為準(zhǔn)，該幅度以下、中及以上分別對(duì)應(yīng)低、中、高水位級(jí)。由于流量是流速和面積的函數(shù)，且流速和流量具有一定的互補(bǔ)性，所以應(yīng)先定水位-流量線，再定水位-面積線，但是流速具有敏感多變性特征，受水情及斷面沖淤影響較大，存在較大的定準(zhǔn)難度。為此，應(yīng)采用逆運(yùn)算，即按照時(shí)間序列在時(shí)段內(nèi)流量、面積曲線水位變幅中按照0.2m確定結(jié)點(diǎn)，并查出該結(jié)點(diǎn)和兩端結(jié)點(diǎn)水位、流量、面積，根據(jù)式V=Q/A并通過(guò)校線表進(jìn)行各結(jié)點(diǎn)流速計(jì)算，再將各時(shí)段水位-流速線相連或合并，即為所求。為保證結(jié)果的精確性，還應(yīng)全面校核時(shí)段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)，對(duì)于存在偏離或交叉的情況應(yīng)反復(fù)修正[3]水位-流量線和水位-面積線，直至將誤差控制在允許范圍內(nèi)。

3 水位流量曲線修正

全面校核全部測(cè)點(diǎn)，并運(yùn)用單元分解和排除法定線，即將每場(chǎng)較大洪水確定為一個(gè)單元，并通過(guò)流量分析圖考證離線差較大的測(cè)點(diǎn)，用兩種不同符號(hào)按照時(shí)間序列標(biāo)注第一場(chǎng)一般峰、量小洪水的漲落水段測(cè)點(diǎn)，并合定為一條曲線。若第二場(chǎng)洪水測(cè)點(diǎn)換線，則應(yīng)根據(jù)本場(chǎng)次洪水漲落水段測(cè)點(diǎn)分布情況定線。對(duì)于峰次較少的情況全部測(cè)點(diǎn)可一次性審核，并確定出整體線形，并跨時(shí)段進(jìn)行合并線所有測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)及定線。

所繪制出的水位-面積線和水位-流速線應(yīng)采用峰谷水位自然過(guò)渡，盡可能減少曲線重合段，并呈相切、非相割形態(tài)。而相割或交叉應(yīng)為見(jiàn)點(diǎn)連線，尤其對(duì)于因峰谷各點(diǎn)所引起的、偏離點(diǎn)可舍棄、不超差的情況，應(yīng)通過(guò)點(diǎn)群定線或合并定線。為減少時(shí)段數(shù)，應(yīng)以洪水峰谷水位為換線公共點(diǎn)，但是會(huì)增大整體曲線的不合理性，對(duì)于較大洪水還應(yīng)通過(guò)起漲水位定線。高水曲線定線應(yīng)參考流速、面積，低水曲線定線應(yīng)依據(jù)測(cè)點(diǎn)流最低河底高程或斷流水位進(jìn)行控制。如遇漏測(cè)洪水期或測(cè)點(diǎn)較少的情況，應(yīng)參照相同洪水特性的相關(guān)曲線定線。在定線后還應(yīng)通過(guò)視線法進(jìn)行略反曲線標(biāo)定，再根據(jù)時(shí)段數(shù)、曲線數(shù)最少的原則，重新進(jìn)行原定曲線編號(hào)，并相應(yīng)確定時(shí)段。八家戶(hù)站水位流量曲線修正示意圖，見(jiàn)圖2。

圖2 八家戶(hù)站水位流量曲線修正示意圖

八家戶(hù)站水位流量原定線為a、L1、L2為見(jiàn)點(diǎn)連線，變動(dòng)趨勢(shì)較為異常，L2-L4低水交點(diǎn)較高，將其修正后得到a’線，并且各測(cè)點(diǎn)均不超差；水位-面積原定線為b，L1為借用斷面，1號(hào)測(cè)點(diǎn)與L1為同一場(chǎng)洪水，2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)則為后場(chǎng)洪水落水段的測(cè)點(diǎn)，經(jīng)修正后將上述三個(gè)測(cè)點(diǎn)合定為一條曲線，仍用L1表示；原定線b表現(xiàn)為“8”字形且與c水位-流量線交叉，線間表示洪峰流量，將其修正后得到c’線。

4 結(jié) 論

綜上所述，天然河道水文測(cè)站臨時(shí)曲線法定線結(jié)果受到水流成因、水庫(kù)回水、水工建筑物、流域面積、地質(zhì)構(gòu)造、坡度等因素的影響，而習(xí)慣性見(jiàn)點(diǎn)連線與換線交點(diǎn)不當(dāng)對(duì)定線的準(zhǔn)確性影響較大。在充分認(rèn)識(shí)和掌握天然流域測(cè)站水流成因及規(guī)律的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相關(guān)理論進(jìn)行水位-流量、水位-流速等曲線的繪制與定線分析，才能保證臨時(shí)曲線法定線過(guò)程及結(jié)果的準(zhǔn)確性，并為流域水文分析提供可靠的依據(jù)。