梁山閘水文站水位流量關系分析研究

梁法陽，李 棟，王洪濤，邵志恒

（濟寧市水文中心,山東 濟寧 272000）

1 目的和意義

隨著近幾年來城市發展,城鎮化進程加快,為了改善供水和生態旅游環境保護等,一些地方在城鎮附近的河流上相繼興建橡膠壩、攔河閘等水利工程用以滿足環境保護蓄水及防汛、生態流量調度的需要,上下游閘壩時常變動,調度時間短,斷面水位相應波動,在此過程中水位變幅一般較大,歷時太短,測驗時機稍縱即逝,雖能搶測到部分流量過程,但測驗誤差往往偏大,搶測洪峰流量困難,使水文站水文測驗受到較大影響,如果直接采用實測資料進行整編,水量誤差必然偏大,一定程度上還會影響整編成果質量。

受水利工程調蓄影響,一年中大部分流量測次并不是出現在洪水或天然來水期間,而是出現在上游水庫和攔河閘壩放水期間。但有時水利工程影響的只是測驗條件,并未真正影響斷面水位流量關系的穩定,單純通過增設測驗斷面,增加流量測次,無法從根本上解決受工程影響的水文測驗問題。必須深入分析測站特性,研究受工程影響下測站水位流量關系及其變化規律,及時調整測驗整編方法,才能不斷提高工作質量和效率。

以2021年為例,梁山閘年內開啟次數40 余次,全年共施測流量95 次,其中出現在上游攔河閘壩放水期間施測流量達86 次。因此,通過實測流量資料建立水位流量關系歷年綜合線,根據水位推求流量,是解決當前測驗難度大、任務重,整編精度低等問題的關鍵,既解放了勞動力,又提高工作質量和效率。

2 測站情況

梁山閘水文站位于山東省嘉祥縣紙坊鎮梁山閘,1974年1 月由山東省水文總站設立,現由山東省水文中心管理。集水面積4236 km2,是洙趙新河干流重要控制站,也是國家重要水文站。詳見測站沿革,見表1。

表1 梁山閘站測站沿革表

2019年測站下游14 km 范圍內新建橡膠壩1 座,2020年6 月完成河道清淤工程與梁山閘重建工程,新閘設計15 孔平板閘門,設計流量1750 m3/s,設計閘上、下保證水位38.96 m、38.78 m。

3 測驗斷面情況

測驗河段順直,順直段長度約600 m,梁山閘站測驗河段順直,長度600 m,有閘下270 m 橋流速儀測流斷面與閘下529 m 基本水尺斷面兼纜道流速儀測流斷面兩處測流斷面。閘上基本水尺斷面位于閘上70 m 處,130m 處有一處轉彎,角度約150°,主槽寬約174 m~185 m,河床為沙壤土組成。

4 洪水特征

洙趙新河屬湖西平原坡水河道,地面坡度平緩,流域內多年平均降雨量為641 mm,豐水年（2021年）降雨量為1134 mm,枯水年（1988年）僅為358.6 mm。受季風的影響,降雨量年內變化較大,汛期6 月~9 月份約占全年降雨的70%,降雨集中、強度大、范圍廣,洪水歷時長,河道洪水峰低量大,降雨走向一般是自西向東,順水流方向,形成洪峰迭加,加重了本流域的洪澇災害。1974年以來最大流量前3 位分別為913 m3/s（1978年7 月3 日）、583 m3/s（2006年8 月24 日）、562 m3/s（2021年9 月26 日）。閘上、閘下最高水位均出現在1993年8 月6 日,分別為37.84 m、37.83 m,實測最大洪峰流量400 m3/s。

2021年汛期過后,梁山閘水文站對近幾年實測資料進行認真分析,結合測站控制特性及上下游水利工程情況,以水力因素法為基礎建立本站水位流量關系歷年綜合線。

5 測站控制分析與水位（流量）級劃分

5.1 測站控制與水位流量關系穩定性分析

梁山閘站斷面水位與流量關系主要靠梁山閘閘門作用來控制,水位與流量關系較為穩定,2019年,下游14 km 處建成1 座橡膠壩,受橡膠壩生態蓄水影響,流量下泄受阻,對原水位流量關系產生了一些影響,但仍受堰閘斷面控制。

梁山閘站閘上、閘下基本水尺斷面分別設在堰閘控制斷面上游80 m、下游529 m 處,閘上控制斷面與水尺斷面間落差較小,閘上基本水尺斷面處水位變化能夠代表閘上水頭變化情況。基本水尺斷面和控制斷面之間無其他匯水,控制斷面過水流量亦可代表水尺斷面流量,即使水尺斷面略有沖淤變化,只要控制斷面不變,水位與流量關系仍基本不變,面積的變化可為流速的變化所補償。

5.2 水位（流量）級劃分

由于梁山閘站水位流量關系主要受梁山閘閘門作用控制,根據《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）4.4.3 規定,當測站水位受工程影響嚴重時,可采用頻率流量進行流量劃分,故本次分析首先采用頻率流量進行流量級劃分。

根據本站歷年年最大流量計算頻率并繪制頻率曲線,取頻率為90%所對應的流量為高水流量。

考慮到水位（流量）級的劃分對流量測次布置、單次流量測驗精度評定、整編誤差評定、單值化處理以及測洪方案編制等工作中有著重要的作用,因此同時依據年降水量、徑流量和流量資料進行分析,同時充分考慮本站近兩年流量測驗現狀,包括儀器設備、測驗斷面、測洪能力、實測流量等,最終確定高水流量為304 m3/s,中水流量為76.5 m3/s,低水流量為18.5 m3/s。當Q ≥304 m3/s 時,為高水期；76.5 m3/s ≤Q<304 m3/s 時,為中水期；18.5 m3/s ≤Q<76.5 m3/s 為低水期；Q<18.5 m3/s 時為枯水期。

6 實測資料選取

梁山閘站水文測驗和資料整編均嚴格按照《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）和《水文資料整編規范》（SL 247-2012）

執行,技術標準統一,經合理性檢查和各要素對照檢查,收集的資料合理、真實、精度可靠,無遺留問題。且每年資料均經濟寧市水文中心和山東省水文中心逐級審查、復審、匯編、刊印,資料具備較好的可靠性、一致性、代表性。

截至2021年12 月,本站共實測流量116 次,全部采用走航式ADCP 施測,流態均為淹沒式孔流。實測最大流量562 m3/s,相應水位35.66 m,實測最小流量4.76 m3/s,相應水位34.12 m。實測流量點據涵蓋高、中、低、枯各級水位。

根據梁山閘流量流態均為淹沒孔流這一實際情況,決定選用淹沒孔流通用流量計算公式Q = MBeΔZ 計算率定梁山閘閘孔過水流量,即《水文資料整編規范》中6 號公式,其中淹沒孔流流量系數M采用實測流量推求所得數據。

7 水位流量關系定線

7.1 水力因素法定線

根據《水文資料整編規范》中6 號公式Q = MBeΔZ 計算實測流量點據相應的流量系數M2。本次分析相關因素值介于0.444~24.4 之間,為淹沒式孔流流態,流量Q 隨閘門啟閉的變化而變化,e/ΔZ 與流量系數M2之間具有穩定的關系。以相關因素e/ΔZ 為縱坐標,流量系數M2為橫坐標,通過點群中心定出一條e/ΔZ~M2關系曲線,見圖1。

圖1 梁山閘水文站e/ΔZ~流量系數M2 關系曲線

從圖中可以看出,實測點據較為均勻的分布于曲線兩側,無系統偏離,曲線下部向左彎曲,上部隨著e/ΔZ 的增加,M2值相應增大,符合淹沒式孔流流e/ΔZ~M2關系曲線線型。

7.2 流量系數合理性分析

按照《水文資料整編規范》要求,對關系曲線做符號檢驗、適線檢驗和偏離檢驗。

符號檢驗公式：

式中：u 為統計量；n 為測點總數；k 為正號和負號個數；p、q 為正、負號概率,各位0.5；*為連續改正數（離散型轉換為連續性）。

適線檢驗公式：

式中：u 為統計量；n 為測點總數；k 為變換符號次數,k<0.5（n-1）時做檢驗,否則不作此檢驗；p、q 為變換,不變換符號的概率,各為0.5。

偏離檢驗公式：

式中：t 為統計量；p 為平均相對偏差值；Sp為p 的標準差；s 為p 的標準差；n 為測點總數；pi為測點與關系曲線的相對偏離值。

梁山閘水文站為三類精度站,流量測驗以流速儀和走航式ADCP 為主,依據《水文資料整編規范》（SL 247-2012）表3.3.2-1 的規定,三類精度水文站水力因素與流量系數關系定線精度指標為：系統誤差≤3%,隨機不確定度≤15%。三種檢驗計算結果,見表2。

表2 梁山閘水文站e/ΔZ~流量系數M2 關系曲線檢驗計算表

經計算,上述三種檢驗結果均接受原假設,定線系統誤差-0.1%,隨機不確定10%,均符合規范要求,定線正確、可靠。同時參考《水力學》教材及相關理論研究成果,經計算,當e/ΔZ ≤1.11 時,水力因素法定線成果中M2取值范圍為1.77~3.10；當1.11 ≤e/ΔZ<14.3,M2取值范圍為3.10~3.65,當14.3

綜上所述,認為本次擬定的梁山閘站e/ΔZ~M2線合理、準確、可靠,可以作為水位流量關系歷年綜合線使用,能夠滿足逐日流量和相關流量特征值的推求。

8 結論

通過對梁山閘水文站2019年~2021年的實測流量資料進行分析,根據水力因素法擬定出流量系數與相關因素關系曲線,并對求得的流量系數進行合理性分析。在水力因素法分析的基礎上,擬定出本站水位流量關系歷年綜合線,經計算,曲線均通過三種檢驗,隨機不確定度和系統誤差均符合《水文資料整編規范》（SL 247-2012）表3.3.2-1 的規定,經過進一步合理性分析認為本次定線成果合理、準確、可靠,能夠用于逐日流量和相關流量特征值的推求。水位流量關系歷年綜合線具體使用范圍為：相關因素值在0.444~24.4（相應流量0~562 m3/s）。

通過實測流量資料建立水位流量關系歷年綜合線,根據水位推求流量,是解決當前梁山閘水文站中、低水及枯水期測驗難度大、任務重以及攔河閘壩變動期間流量整編精度偏低等現實問題的關鍵。

與此同時,測站將繼續積累高精度的實測流量點據,以確保實測流量資料的代表性,進而不斷修正現有歷年綜合線；當相關因素值或流量超過歷年線使用范圍時,應按測站特性布置流量測次,采用實測流量定線推流。