落差指數法軟在線技術在臨淮崗站應用的可行性分析

馬占國

一、引言

水位流量關系不穩定，不能建立單一的水位流量關系線，為了滿足河道對徑流量計算需要，必須用大量的實測流量進行流量過程控制，既增加了測流工作量，也影響了水文測報服務于防汛、抗旱工作的效率。因此，需要根據測驗河段的河流特性，探尋能夠使斷面流量關系單一的相關因素，建立流量的單值化曲線。本文探討落差指數法軟在線技術，在臨淮崗站應用的可行性。

二、臨淮崗站概況

臨淮崗站位于安徽省霍邱縣臨淮崗鄉臨閘村，2005年1月設站，流域面積為40410km2，是淮河干流中游3000～5000km2以上大河控制站。該站斷面控制良好，測驗河段順直，泥沙河床，左右岸均為漿砌石護坡，上游390m 處為臨淮崗樞紐控制工程。該控制工程有12 孔深孔閘，測驗斷面左側為49 孔淺孔閘，右側為淮河船閘和沿崗河船閘；中高水斷面寬約2km，中低水時開啟深孔閘，中高水時深、淺孔閘閘門全開。汛期受下游潁河、淠河洪水頂托，回水影響較為嚴重。閘下水位流量關系主要受閘門啟閉因素及上、下游水位影響，大部分時間流態為淹沒式孔流，中高水時發生淹沒式堰流。

三、資料的選取

（一）實測資料情況

2020年淮河發生特大洪水，這是臨淮崗站自建站以來發生的最大洪水，選取本年度洪水期實測水位、流量資料，進行單值化分析，具有較高的代表性。據此，選取2020年6—8月的實測流量（85 次）及相應的水位資料，探討實施落差指數法定線的可行性；同時選擇本站2021年7—9月的67 次實測流量成果，對構建的落差指數關系曲線進行驗證性分析；選取潤河集站基本水位斷面作為輔助水尺斷面，據以推求河段的相應落差△Z。

（二）臨淮崗站的水位流量關系

由于臨淮崗站受到下游潁河、淠河洪水頂托形成的回水影響較為嚴重；同時還受到臨淮崗樞紐控制工程閘門啟閉等因素的影響，致使該站的水位流量關系散亂，無法形成單一的水位流量關系。

四、臨淮崗站實施落差指數法分析

（一）輔助水尺斷面的選擇

潤河集站位于安徽省霍邱縣王截流鄉陳郢村，測站斷面控制良好，測驗河段順直，泥沙河床，下游與臨淮崗站相距約28km，受臨淮崗樞紐控制工程閘門啟閉產生的變動回水影響明顯。兩站水位的相關性較好。因此選擇潤河集站基本水尺斷面，作為臨淮崗站落差指數法定線的輔助站具有可行性。

（二）臨淮崗站落差指數關系的建立

首先假定同水位不同落差的流量符合式：

式中：

Q1、Q2—同水位不同落差的流量，m3/s；

△Z1、△Z2—為Q1、Q2時的相應落差，m；

β—落差指數；

q—流量與落差β 次方之比（也稱校正因數）。

其次，優選落差指數β 值，其變化范圍為0.2～0.8，在此區間采取優選法，定出Z～q 關系曲線，通過適線檢驗、符號檢驗及反曲檢查，選擇不確定度最小值β 作為最優落差指數。

其三，根據優選的β 值擬定Z～q 關系曲線，按單一線精度進行檢驗，當通過三項檢驗后，即可作為推求流量的曲線。

其四，根據潤河集站的水位，計算落差值（△Z）及優選的β 值，用臨淮崗站水位推求q 值與△Zβ的乘積見式（1），即為推求的流量，如圖1。

圖1 臨淮崗站落差指數關系曲線圖（△Z：潤河集-臨下n=0.5）

（三）臨淮崗站Z～q 關系曲線分析

根據水利部《水文資料整編規范》（SL247-2015）及《安徽省水文資料整編補充規定》（2015年），水位流量資料定線的規定:“受變動回水影響，但是，河段順直，河槽基本穩定，落差具有代表性的河流斷面，可進行落差指數法定線推流。”

本次參與定線的實測流量有85 次，其中有3 個高水測點和3 個中低水測點偏離超過10%，出現的時間為2020年的6月25—28日淺孔閘全部關閉時期，以及7月20—23日姜唐湖蓄洪期。由于臨淮崗樞紐控制工程淺孔閘全關，姜唐湖蓄洪，都會造成潤河集與臨淮崗站落差關系短時間的急劇改變，從而影響落差指數關系線推求流量的準確性。隨著水流狀態的穩定，落差關系會很快得到修復，工情變化及姜唐湖蓄洪對落差指數關系影響是有限的。通過對Z～q 關系線突出點的分析，消除了不穩定狀態的影響。從三項檢驗成果得到，選擇潤河集基本水尺斷面作為輔助斷面，建立的臨淮崗站落差指數關系是可靠的，能夠滿足正常年份及排除淺孔閘全部關閉時期的在線推流需要，見表1。

表1 三項檢驗成果表

（四）臨淮崗站軟在線流量成果的誤差分析

為了直觀地說明臨淮崗站落差指數關系的可靠性，繪制了臨淮崗站軟在線流量與實測流量成果的誤差分布圖，如圖2。從圖中可知，除了臨淮崗樞紐控制工程淺孔閘關閉及姜唐湖蓄洪時期，出現軟在線流量與實測流量對比誤差超過10%以外，其他點群密集成帶狀分布，誤差均小于±10%，經過計算得到隨機不確定度為7.38%，小于《水文資料整編規范》對一類精度水文站采用水力因素法定線精度10%標準。因此用落差指數法構建臨淮崗站流量軟在線平臺，在技術上是可行的。基于此，可以實現對臨淮崗站斷面流量的實時準確體現。

圖2 臨淮崗軟在線成果誤差分布圖

五、臨淮崗站實現流量軟在線的可行性分析

經過對臨淮崗測站特性的分析，建立以潤河集基本水尺斷面為輔助斷面的落差指數單值化關系曲線，需要經過實踐的檢驗。為了驗證該落差指數關系的可靠性，將臨淮崗站2021年汛期的實測流量與軟在線流量成果進行對比，如圖3。從擬合的軟在線流量與實測流量過程線可以看到，實測流量過程線與軟在線流量過程線吻合度極高，而且流量過程與水位變化趨勢保持一致，進一步說明軟在線流量可以實現對斷面實時流量過程的準確反應。

圖3 2021年臨淮崗站實測流量與軟在線成果對比圖（△Z：潤-臨下n=0.5）

六、結語

經過對臨淮崗站河流特性的分析，選擇潤河集站基本水尺斷面作為輔助斷面，率定了落差指數關系曲線，經過檢驗，符合規范要求；用軟在線流量與實測流量的對比結果，驗證了以落差指數關系為基礎的軟在線流量，可以準確反應臨淮崗站的流量變化，因此，在臨淮崗站實施落差指數法軟在線，在技術上是可行的■