塘渡口站落差指數(shù)法整編分析

陳含華，林江波，肖碧琦，范騰騰

（邵陽水文水資源勘測(cè)中心，湖南 邵陽 422099）

1 基本情況

塘渡口站系國家重要水文站，資水一級(jí)支流夫夷水下游控制站，2003年開始收集資料，開展水位、流量測(cè)驗(yàn)工作。集水面積4548km2，平均坡降0.83‰，測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度600m。上游2.5km處有滾水壩電站，下游200 m處為急灘和滾石灘，測(cè)站控制較好，下游4.2 km處匯入資水干流，下游18 km有孔雀灘水電站，受干流頂托和水電站蓄水影響嚴(yán)重。斷面寬110～160 m，流速分布均勻，無分流、串溝及沖淤影響，低枯水受水草及上下游電站開、關(guān)閘影響。為了尋求塘渡口站水位流量關(guān)系單值化，在本站基本水尺斷面上游約1.8 km處安裝雷達(dá)式水位計(jì)，利用上下游站的水位建立關(guān)系。

2 測(cè)驗(yàn)概況

塘渡口站每年測(cè)流150～200次，實(shí)測(cè)歷年最高水位232.41m，最低水位221.36m，歷年水位變幅11.05m。實(shí)測(cè)最大流量3 720 m3/s（水位231.75 m），最小流量2.53 m3/s（水位221.36 m）。由于受資水干流頂托影響和水電站蓄水影響，實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)非常散亂。每年采用定臨時(shí)線、繩套線、連時(shí)序線和連實(shí)測(cè)流量過程線等整編。

本次分析采用2017年的資料，全年實(shí)測(cè)最高水位232.41 m，實(shí)測(cè)最低水位222.14 m，全年定5根臨時(shí)線，5根過渡線，5個(gè)連實(shí)測(cè)流量過程線進(jìn)行整編，現(xiàn)將受頂托影響的定線為連實(shí)測(cè)流量過程線和連時(shí)序方法的測(cè)點(diǎn)，用落差指數(shù)法進(jìn)行校正流量，然后合并定線，所選的資料能代表本站全年低、中、高水位的水流變化特性。

3 落差指數(shù)法計(jì)算原理與方法

3.1 基本原理

對(duì)于河段順直，底坡與斷面變化不大、受變動(dòng)回水與洪水漲落兩種因素綜合影響時(shí)，實(shí)測(cè)流量與各水力因素之間的關(guān)系可用曼寧公式表示為：Q=AR2/3S e1/2/n。糙率n、斷面面積A、水力半徑R均為水位的函數(shù)，忽略流速水頭的沿程能量損失，用水面比降S代替河底坡降S e，相同水位因受變動(dòng)回水影響程度不同的兩流量之比為Q1/Q2=（S1/S2）1/2，也可寫為Q1/（S11/2）=Q2/（S21/2）=R2/3A/n。

Q/（S1/2）是水位f（z）的單值函數(shù)關(guān)系。用落差△Z代替水面比降S，并把落差與整編斷面比降不一致的斷面改正因素用指數(shù)β表示，則該公式可寫為q=Q/△Zβ。此乃落差指數(shù)法的基本公式，式中q為校正流量，△Z為落差，Q為實(shí)測(cè)流量，β為落差指數(shù)。

由于河流的實(shí)際情況十分復(fù)雜，通常采用單一輔助斷面觀測(cè)落差進(jìn)行落差指數(shù)法整編難以滿足規(guī)范的誤差要求，一般采用多輔助斷面同步觀測(cè)，計(jì)算綜合落差來進(jìn)行落差指數(shù)法整編。公式如下：

△Z綜=α1△Z1+α2△Z2+α3△Z3+……+αn△Zn

式中 α——落差系數(shù)，α1+α2+α3+……+αn=1；

△Z——測(cè)站基本水尺與落差水尺1、2、3……n的同時(shí)水位差。

3.2 校正流量的計(jì)算方法和步驟

1）落差：根據(jù)輔助站與塘渡口站同時(shí)水位的落差及塘渡口站與羅家廟站的同時(shí)水位落差，以河流長(zhǎng)度為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求得綜合落差△Z。

△Z=（輔助站水位-塘渡口站水位）×（1.8/6.9）+（塘渡口水位-羅家廟站水位）×（5.1/6.9）。

2）根據(jù)公式q=Q/△Zβ試算了β值各為0.45、0.50、0.55的校正流量，并根據(jù)各β值的校正流量點(diǎn)繪水位～校正流量關(guān)系圖，定出關(guān)系線，求出各β值的校正流量點(diǎn)偏離關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差，將各線的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差最小的原則優(yōu)選出該站的β值為0.5時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差最小。根據(jù)56次實(shí)測(cè)流量經(jīng)校正后定為單一線，定線的關(guān)系誤差為：標(biāo)準(zhǔn)差為7.0%，系統(tǒng)誤差為0.9%，隨機(jī)不確定度為14.0%，詳見表1。符合規(guī)范規(guī)定的水力因素型方法的定線標(biāo)準(zhǔn)。β值為0.5的水位與校正流量的關(guān)系線見圖1、圖2。

表1 塘渡口站落差分析表

續(xù)表1

圖1 2017年水位校正流量關(guān)系圖

圖2 2019年水位校正流量關(guān)系圖

將水位校正流量曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，算得：標(biāo)準(zhǔn)差S e（%）=7.0，隨機(jī)不確定度為14%，系統(tǒng)誤差為0.9%（說明：符合規(guī)范定線要求）。

3.3 誤差分析

由圖1可知Q104和Q105次流量偏離值比較大，Q103、Q104、Q105相比較，Q103水位高，落差大，但最大測(cè)點(diǎn)流速和斷面平均流速都比Q104小，不太合理，Q104和Q105存在測(cè)驗(yàn)誤差，予以舍棄。

3.4 還原計(jì)算

根據(jù)水位校正流量關(guān)系曲線，計(jì)算出Q，Q=q×△Zβ，將還原流量進(jìn)行整編計(jì)算，求得徑流量為44.06億m3，原整編成果徑流量為44.27億m3，誤差為-0.47%，符合規(guī)范的要求。

4 方案驗(yàn)證

為確保方案的可行性，特采用2019年受頂托影響連實(shí)測(cè)流量過程線法的測(cè)點(diǎn)，用落差指數(shù)法校正流量，然后定線。表2為塘渡口站校正流量表。

表2 塘渡口站校正流量表

將水位校正流量曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，算得：標(biāo)準(zhǔn)差S e（%）=4.8，隨機(jī)不確定度為9.6%，系統(tǒng)誤差為-0.4%（說明：符合規(guī)范定線要求）。

從以上檢驗(yàn)計(jì)算中可以看出，塘渡口站選用落差指數(shù)法整編能夠滿足《水文資料整編規(guī)范》中水力因素法一類精度站定線精度指標(biāo)要求。

5 總結(jié)與建議

塘渡口站為一類精度站，但根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-93）附錄第A.0.3條“當(dāng)水文測(cè)站受測(cè)站控制和測(cè)驗(yàn)條件的限制難以達(dá)到原有精度要求時(shí)，可降低一個(gè)精度類別，但不應(yīng)低于三類精度。”之規(guī)定，塘渡口站采用落差指數(shù)法整編能夠滿足《水文資料整編規(guī)范》中水力因素法一類精度站定線精度指標(biāo)要求，方案完全可行。在日常測(cè)驗(yàn)工作中應(yīng)保證單次流量測(cè)驗(yàn)精度。