伍 勇 樊 云 柳長(zhǎng)征 張辰亮

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北宜昌 443000)

1 問(wèn)題的提出

宜昌水文站始建于1877年4月，位于湖北省宜昌市濱江公園，東經(jīng) 117°17＇，北緯 30°42＇，為國(guó)家基本水文站，其流域控制面積1005501km2。20多年來(lái)，斷面上游相繼興建了葛洲壩和三峽水利樞紐，近10 a來(lái)增強(qiáng)了樞紐綜合調(diào)度，增大了水沙調(diào)節(jié)力度，水文測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)把握難度、測(cè)驗(yàn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度增加。為此，宜昌站從2009年開(kāi)始從整編方法和服務(wù)目的入手，采用綜合落差指數(shù)法，實(shí)施水位流量關(guān)系的單值化研究，既優(yōu)化了外業(yè)測(cè)次情況，又不降低成果質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了以人為本、科學(xué)發(fā)展。

2 測(cè)站基本情況

2.1 測(cè)站特性

測(cè)驗(yàn)河段位于葛洲壩下游約6km的彎道下首，長(zhǎng)約3km。整個(gè)河段屬山區(qū)與平原過(guò)渡地段，右岸為低山丘陵區(qū)，左岸為宜昌市城區(qū)。河岸較穩(wěn)定，近百年來(lái)河勢(shì)未發(fā)生大的變化。斷面下游3km有胭脂壩江心洲，長(zhǎng)約5km，當(dāng)水位小于43.00 m(吳淞基面)時(shí)，右支汊斷流，下游38km處有支流清江入?yún)R。

測(cè)驗(yàn)斷面形態(tài)呈“U”型。近左岸河床(約占河寬的2/3)較平坦，為礫卵石夾沙河床，是沖淤變化的主要部位，低水時(shí)約有100 m的邊灘裸露，高程42 m以上為混凝土護(hù)岸;右岸系基巖，地形陡峭，斷面主泓偏右。

宜昌斷面水沙主要來(lái)源于長(zhǎng)江上游及三峽區(qū)間。近年來(lái)，隨著三峽工程的興建和運(yùn)行，其調(diào)度對(duì)宜昌斷面水沙控制愈加突出。

2.2 歷年水位流量關(guān)系變化

宜昌站水位流量關(guān)系受河道地形條件和水文因素變化的綜合影響。多年來(lái)，宜昌站中、高水受洪水漲落、斷面沖淤影響，水位流量關(guān)系呈逆時(shí)針繩套曲線變化，或受上游水利工程影響、下游清江支流來(lái)水頂托使關(guān)系曲線局部變形。1998年以來(lái)，中高水水位流量曲線多以繩套為主，洪峰附近繩套因受上游水工程調(diào)度影響略有不規(guī)則變化;低水水位流量關(guān)系呈多條單一線變化，受各種因素影響，同流量級(jí)下水位呈下降趨勢(shì)。

3 水位流量關(guān)系單值化方案確定

3.1 歷史分析方法

宜昌站曾于1981年開(kāi)始組織專班，主要采用落差指數(shù)法和校正因素法進(jìn)行水位流量關(guān)系單值化整編研究。校正因素法因洪水傳播受葛洲壩建設(shè)影響，形成的Z－QC曲線對(duì)推流精度影響較大，而落差指數(shù)法主要研究范圍是巴東－枝城河段，最后形成的落差指數(shù)法公式組成復(fù)雜，限制條件較多且適用性較差。

3.2 分析思路

目前葛洲壩下游宜枝河段62km的范圍內(nèi)設(shè)立有12個(gè)水位站(其中宜昌斷面上游4站，下游8站)，2個(gè)水文站，對(duì)了解葛洲壩下游水沙情況奠定了良好的站網(wǎng)基礎(chǔ)。

近年來(lái)，宜昌站水位流量關(guān)系受上游水工程調(diào)度影響越顯突出，考慮到目前宜昌站測(cè)驗(yàn)斷面逐漸趨于穩(wěn)定，綜合各方因素，利用宜昌河段現(xiàn)有的站網(wǎng)資料，采用綜合落差指數(shù)法［1］開(kāi)展水位流量關(guān)系單值化研究。

同水位下流量之比為:

式中n為糙率;A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;R為水力半徑;Se為能面比降;z為水位;Q為斷面流量。一般情況下，同一水位，n、A、R基本保持不變，且可忽略流速水頭沿程的變化?？捎盟姹冉礢代替能面比降Se。

很多情況下河流比降指數(shù)不是1/2，現(xiàn)以α表示，水面比降可用河流上下游兩站的水位差，即落差ΔZ除以兩站的距離表示:

對(duì)公式變形得到:

式中q為校正流量;Qm為實(shí)測(cè)流量;k1為流量改正系數(shù);k2為綜合落差系數(shù);ΔZm為綜合落差;α為落差指數(shù)。

ΔZm又可分解為:

式中ΔZm1為上游某站－本斷面落差，m;ΔZm2為本斷面－下游某站落差，m;km1為上游某站－本斷面落差系數(shù);km2為本斷面－下游某站落差系數(shù)。

3.3 輔助水尺的選擇

落差水尺的確定是綜合落差指數(shù)法的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一［2］。輔助水尺選取的原則如下:

(1)輔助站應(yīng)盡量利用現(xiàn)有水文站網(wǎng);

(2)上游輔助站要反映上游水庫(kù)調(diào)節(jié)綜合影響，下游輔助站要考慮測(cè)驗(yàn)斷面受長(zhǎng)河段控制因素;

(3)要求校正流量與測(cè)驗(yàn)斷面水位有較好的單相關(guān)關(guān)系;

(4)輔助站應(yīng)受外部環(huán)境影響小、資料系列長(zhǎng)和測(cè)驗(yàn)精度好等。

通過(guò)對(duì)宜枝河段水文(位)站網(wǎng)比對(duì)優(yōu)選，葛洲壩8號(hào)水位站和枝城水文站滿足輔助站選擇原則。綜合落差計(jì)算公式采用公式(4)，即 ΔZm1為葛洲壩8號(hào)站－宜昌站水位落差，m;ΔZm2為宜昌站－枝城站水位落差，m;km1為葛洲壩8號(hào)站－宜昌站落差系數(shù);km2為宜昌站－枝城站落差系數(shù)。

3.4 歷史資料的選擇

根據(jù)水位流量關(guān)系單值化應(yīng)用技術(shù)有關(guān)規(guī)定，將宜昌站全部實(shí)測(cè)年份的年平均流量按大到小排列，考慮宜昌站水位流量關(guān)系單值化主要服務(wù)于未來(lái)，資料選擇以宜昌站近10 a左右為主，即采用1998、2000～2009年水位、流量實(shí)測(cè)和整編資料，其代表性見(jiàn)表1。

表1 宜昌站1998～2009年水位、流量成果

選用的樣本資料中含豐水年(1998、2009年等)、中水年(2003、2008 年)和低水年(2006 年)，能較好驗(yàn)證水位流量關(guān)系單值化成果。落差輔助站選用葛洲壩8號(hào)和枝城站兩個(gè)具有長(zhǎng)序列水位實(shí)測(cè)資料的站，代表性較好。

3.5 落差系數(shù)km的確定

優(yōu)選 km1、km2方法，先固定落差指數(shù) α =0.50，依據(jù)方差或標(biāo)準(zhǔn)差最小原理試錯(cuò)求解km1、km2值，保證宜昌水位與校正流量間具有較好的單相關(guān)關(guān)系，長(zhǎng)序列的連續(xù)實(shí)測(cè)流量無(wú)系統(tǒng)偏離。最后優(yōu)選結(jié)果km1=0.109、km2=0.891。

所選落差站水位均采用本站凍結(jié)基面高程，為了將各站的基面統(tǒng)一到一個(gè)基面上，葛洲壩8號(hào)站、枝城站與宜昌站基面換算系數(shù)分別為0.364和0.016。則:

ΔZm2=km2·(Z0－ Z2)－0.016，其中 Z1、Z2、Z0分別為葛洲壩8號(hào)站、枝城站、宜昌站觀測(cè)水位。

3.6 k1、k2、α 值的確定

利用宜昌站實(shí)測(cè)流量和葛洲壩8號(hào)站、枝城站同時(shí)水位，運(yùn)用上述ΔZm、α初始值，在不考慮綜合系數(shù)k1和k2情況下，計(jì)算各年校正流量，建立水位與對(duì)應(yīng)的校正流量關(guān)系線。各年關(guān)系線型分布較好，呈單一曲線，無(wú)系統(tǒng)偏離，無(wú)須綜合落差改正，其系數(shù)k2確定為1。

落差指數(shù)α在調(diào)試時(shí)，經(jīng)過(guò)上下外延計(jì)算，分析優(yōu)化最后確定α為0.438。

當(dāng)水位－校正流量關(guān)系散亂時(shí)，利用流量改正系數(shù)k1把校正流量進(jìn)行放大或縮小，使原關(guān)系得以還原。分析表明，當(dāng)k1為1時(shí)，除了1998年高水期間水位校正流量較分散外，其他年份關(guān)系都較好，說(shuō)明宜昌站正常水情下流量改正系數(shù)k1取1能滿足水位流量單值化要求。

3.7 公式的建立

經(jīng)過(guò)對(duì)通用公式中各系數(shù)的分析，宜昌站水位流量關(guān)系單值化方案為:

上述方案適用的水位和流量范圍分別為38.30～54.50 m、2900 ～63300 m3/s。超出適用范圍，應(yīng)及時(shí)分析驗(yàn)證該方案，以保證整編成果精度。

4 水位流量關(guān)系單值化方案精度分析

4.1 水位－校正流量關(guān)系曲線及精度評(píng)估

通過(guò)已確立的水位流量關(guān)系單值化方案(k1、k2均為1)，選用1998年、2000～2009年資料，分別計(jì)算宜昌站1998年、2000～2009年各年實(shí)測(cè)流量對(duì)應(yīng)的校正流量，繪制各年水位－校正流量關(guān)系曲線，采用《南方片水文資料整匯編》軟件檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 宜昌站水位－校正流量關(guān)系曲線精度檢驗(yàn)

1998年、2000～2009年水位－校正流量關(guān)系曲線滿足整編定線的要求，即系統(tǒng)誤差≤±2%，隨機(jī)不確定度≤10%(1998年采用2線的方案優(yōu)于1線的方案)。

4.2 兩種整編方法比較

對(duì)宜昌站1998年、2000～2009年資料進(jìn)行單值化處理后，采用《南方片水文資料整匯編軟件》重新進(jìn)行整編，以宜昌站歷年來(lái)采用的繩套線和單一線相結(jié)合的流量整編成果為標(biāo)準(zhǔn)，比較分析宜昌站水位流量關(guān)系單值化方案的推流精度，各特征值誤差均在允許范圍內(nèi)，如表3所示。

表3 兩種整編方法成果誤差比較%

4.3 洪水過(guò)程比較

經(jīng)分析表明，逐日平均流量過(guò)程線基本相應(yīng)，均能較好地反映各場(chǎng)次洪水漲落變化，說(shuō)明整編成果能真實(shí)反映1 a中歷次洪水變化，個(gè)別時(shí)段或轉(zhuǎn)折變化也有局部差異，對(duì)于全年的流量過(guò)程和水量可忽略不計(jì)。原因如下:

(1)傳統(tǒng)法的中高水采用繩套曲線、中低水為多條單一線，1 a中存在多個(gè)時(shí)段合并共線，繪制曲線時(shí)考慮實(shí)測(cè)流量因素較多，若部分測(cè)點(diǎn)不在線上，則盡量走點(diǎn)群重心，人為均化了流量過(guò)程，有時(shí)水工程調(diào)度形成短時(shí)間洪水過(guò)程和無(wú)測(cè)點(diǎn)的情況，使得推流過(guò)程與實(shí)際變化過(guò)程存在一定誤差;而綜合落差指數(shù)法主要通過(guò)水位過(guò)程推求流量變化過(guò)程，因此推求的流量變化過(guò)程呈現(xiàn)較為明顯的鋸齒形。

(2)傳統(tǒng)法定線考慮了洪水變化過(guò)程中較多的影響因素，例如洪水漲落、斷面沖淤等;而單值化方案推求的校正流量點(diǎn)，對(duì)洪水影響因素考慮較少，因而在某個(gè)時(shí)段可能存在系統(tǒng)誤差。

(3)繪制水位－校正流量關(guān)系曲線時(shí)，一般考慮實(shí)測(cè)流量誤差情況下主要順趨勢(shì)延長(zhǎng)到最低和最高水位處，導(dǎo)致最小、最大流量有一定誤差。

4.4 特殊水情處理

1998年是較為典型的豐水年，實(shí)測(cè)最大流量為63300 m3/s(7月18日)，高洪時(shí)期持續(xù)了幾個(gè)月，較多影響因素(主要是斷面變化)對(duì)水位流量關(guān)系曲線確定帶來(lái)困難，若采用目前一條線的單值化方案(流量校正系數(shù)k1為1，或改變k1固定取值為隨水位呈2次線性變化)，將使整編出來(lái)的流量過(guò)程和各特征要素與連時(shí)序法成果相差較大，且存在明顯的系統(tǒng)誤差。分析1998年實(shí)測(cè)流量和面積，將全年一個(gè)時(shí)段按照校正流量的分布劃分為2個(gè)時(shí)段，即1月1日0點(diǎn)～8月17日4點(diǎn)和8月17日5點(diǎn)～12月31日24點(diǎn)，分別利用各時(shí)段的校正流量和對(duì)應(yīng)水位繪制水位校正流量關(guān)系曲線，并進(jìn)行曲線誤差檢驗(yàn)和分別用不同的曲線推流(k1=1)。

全年流量和斷面影響因素相對(duì)較少(1～2種)時(shí)，一條線的單值化方案完全適用;當(dāng)某一影響因素與歷年比較發(fā)生較大變化，造成水位與校正流量間分時(shí)段出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)偏離時(shí)，可改為2條線的單值化方案，即按變化情況把全年分為2時(shí)段分別繪制水位－校正流量關(guān)系曲線、推流，再合成全年流量過(guò)程。

5 注意的問(wèn)題

5.1 水 位

葛洲壩8號(hào)站受葛洲壩水庫(kù)調(diào)度影響，自記水位濾波處理要有別于其他自記水位站，同時(shí)應(yīng)及時(shí)校正儀器，保證水位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5.2 流 量

三峽、葛洲壩兩壩綜合調(diào)度對(duì)宜昌斷面水流影響較為明顯，正常情況下的流量測(cè)點(diǎn)應(yīng)按水位級(jí)均勻分布(水位間距大約為0.5～1.0 m)，重點(diǎn)處理好汛期高水測(cè)點(diǎn)和枯期低水測(cè)點(diǎn)的布置，保證最大和最小流量的真實(shí)性和代表性［3］。

出現(xiàn)以下情況應(yīng)適當(dāng)增加測(cè)次:①年最高和最低水位附近;②出現(xiàn)較大洪峰時(shí)轉(zhuǎn)折或洪峰處;③葛洲壩與三峽水利樞紐異常調(diào)度期及沖沙期;④當(dāng)實(shí)測(cè)流量出現(xiàn)較大的繩套線性，在漲水面和落水面曲率急變處;⑤各種曲線銜接處。

出現(xiàn)以下情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)恢復(fù)原連時(shí)序測(cè)驗(yàn)方法:①斷面存在較大的沖淤變化，導(dǎo)致斷面面積呈系統(tǒng)性改變;②清江出現(xiàn)較大洪水，對(duì)斷面造成明顯的頂托影響;③上游水工程調(diào)度造成長(zhǎng)時(shí)間、較大變幅的洪水漲落影響;④當(dāng)連續(xù)3個(gè)以上實(shí)測(cè)流量偏離單值化曲線±10%左右;⑤水位－校正流量關(guān)系曲線關(guān)系散亂;⑥出現(xiàn)特殊水情時(shí)(水位、流量分別超出 38.30～54.50 m、2900 ～63300 m3/s范圍);⑦其他特殊需要。

5.3 其他水文項(xiàng)目

流量測(cè)驗(yàn)和整編采用單值化方案后，會(huì)減少較多外業(yè)測(cè)次，對(duì)于許多配套項(xiàng)目的測(cè)驗(yàn)要求應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整，特別是測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)和方法，例如懸移質(zhì)輸沙可以全混為主，其他測(cè)次應(yīng)盡量與流量配套，不能配套的可采用異步測(cè)沙;沙推和床沙在考慮沙量級(jí)時(shí)應(yīng)盡可能與流量配套，并考慮時(shí)間的均勻分布。懸移質(zhì)顆分和卵推主要采用過(guò)程線法，能與流量配套的盡量配套，不能配套的按過(guò)程測(cè)驗(yàn)即可。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合落差指數(shù)法是在落差指數(shù)法中逐步發(fā)展和完善起來(lái)的一種新的單值化方法，其原理、數(shù)學(xué)模型適用性較強(qiáng)，能處理受多種因素影響的水位流量關(guān)系，其關(guān)鍵是落差指數(shù)的優(yōu)選。

綜合落差指數(shù)法中落差水尺的選定與落差系數(shù)確定是該方法的核心環(huán)節(jié)之一。對(duì)落差水尺的合理范圍和最優(yōu)位置，一般需經(jīng)過(guò)較充分的分析論證，在現(xiàn)有水尺不能滿足單值化精度要求時(shí)，應(yīng)調(diào)整或者增設(shè)水尺，只有當(dāng)落差水尺能反映出本站特性時(shí)，分析成果才會(huì)得到較為滿意的效果，精度才會(huì)得到保證。

通過(guò)典型年份資料分析優(yōu)化，宜昌站各年水位－校正流量關(guān)系較好，滿足單一曲線定線精度要求，各年單值化曲線均能通過(guò)3種檢驗(yàn)，方案適用性較好。

然而，采用水位流量單值化方案整編，局部也存在相對(duì)誤差較大現(xiàn)象。主要表現(xiàn)在3個(gè)方面:①水位漲落急劇時(shí)(主要系水工程調(diào)度所致)，斷面流量變化較大，方案中采用的下輔助水尺水位因存在一定距離，水位變化不同步，計(jì)算出的流量校正因素誤差較大;②低水期流量絕對(duì)值較小，反映出的流量相對(duì)誤差較大;③由于附加比降的作用，洪峰附近單一曲線與實(shí)際流量變化過(guò)程存在不一致性，可能導(dǎo)致流量有一定誤差。因此，出現(xiàn)上述3種情況時(shí)除了適當(dāng)加密流量測(cè)點(diǎn)，一旦出現(xiàn)較大誤差時(shí)還應(yīng)及時(shí)調(diào)整測(cè)驗(yàn)和整編方法，或恢復(fù)連時(shí)序法測(cè)驗(yàn)和整編。

總之，在斷面變化較為穩(wěn)定的情況下，宜昌站采用水位流量單值化方案進(jìn)行流量整編和報(bào)汛是可行的，可節(jié)省大量人力物力;同時(shí)也可作為一種分析方法來(lái)校測(cè)現(xiàn)有的流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流量測(cè)驗(yàn)中的問(wèn)題，分析水流特性的變化，以保證流量測(cè)驗(yàn)與整編的精度。

［1］ 中華人民共和國(guó)水利部.SL247－1999水文資料整編規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1999.

［2］ 中華人民共和國(guó)水利部.SL 195－97水文巡測(cè)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1997.

［3］ 中華人民共和國(guó)水利部.GB50179－93河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1994.