馬經(jīng)安

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州 434000)

單一水位流量關(guān)系曲線(xiàn)高水延長(zhǎng)方法分析

馬經(jīng)安

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州 434000)

介紹了單一水位流量關(guān)系曲線(xiàn)高水延長(zhǎng)的常用方法。以某水文站實(shí)測(cè)資料為例，對(duì)在執(zhí)行《水文資料整編規(guī)范》中如何合理進(jìn)行高水延長(zhǎng)進(jìn)行分析。實(shí)際應(yīng)用表明，史蒂文斯法適用于河段順直、斷面穩(wěn)定的測(cè)站，其計(jì)算方法簡(jiǎn)單實(shí)用，延長(zhǎng)成果精度較高，可作為優(yōu)選方案。一般應(yīng)采用兩種及以上方案分別延長(zhǎng)，并對(duì)成果進(jìn)行對(duì)比分析，再根據(jù)測(cè)站實(shí)際情況選用延長(zhǎng)成果。

水位流量關(guān)系曲線(xiàn)；高水延長(zhǎng)；水文監(jiān)測(cè)；史蒂文斯法

1 研究背景

高洪水時(shí)期，天然河道的流量測(cè)驗(yàn)經(jīng)常受測(cè)驗(yàn)設(shè)施和時(shí)效性的限制，難以完全測(cè)到整個(gè)高洪流量過(guò)程，這種現(xiàn)象在中小河流和山區(qū)型河流中尤為明顯。這就需要對(duì)水位流量關(guān)系進(jìn)行高水延長(zhǎng)，其結(jié)果對(duì)洪水期流量過(guò)程的主要部分，包括洪峰流量在內(nèi)都有重大影響，甚至影響規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)洪峰流量頻率的計(jì)算。因此必須對(duì)選用的高水延長(zhǎng)方法和其成果精度進(jìn)行分析，為水位流量關(guān)系曲線(xiàn)的延長(zhǎng)提供技術(shù)支撐。

2 高水延長(zhǎng)的主要方法

常用的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)高水延長(zhǎng)方法主要有水位面積、水位流速關(guān)系曲線(xiàn)法，水力學(xué)公式法，綜合單一線(xiàn)法和鄰近站相關(guān)法等。主要根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面的沖淤變化程度來(lái)選用延長(zhǎng)方案，當(dāng)流量斷面沖淤變化程度較小時(shí)，可采用水位面積、水位流速關(guān)系曲線(xiàn)法和水力學(xué)公式法，如果水位流量曲線(xiàn)多年來(lái)較穩(wěn)定，可采用綜合單一線(xiàn)法進(jìn)行趨勢(shì)延長(zhǎng)。若斷面沖淤變化急劇，在高水位時(shí)無(wú)法借用洪峰前后的大斷面資料，可采用鄰近站相關(guān)法。實(shí)際整編中需要高水延長(zhǎng)的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)都為單一線(xiàn)型，因此本文對(duì)幾種常用高水延長(zhǎng)方法的分析比較均基于單一水位流量關(guān)系曲線(xiàn)。

2.1 水位面積、水位流速關(guān)系曲線(xiàn)法

控制良好的測(cè)流斷面，一般斷面沖淤變化較小，各級(jí)水位下的水位面積、水位流速關(guān)系曲線(xiàn)的實(shí)測(cè)點(diǎn)密集成帶狀，曲線(xiàn)趨勢(shì)符合水文規(guī)律，無(wú)明顯系統(tǒng)偏離，宜選用水位面積、水位流速關(guān)系線(xiàn)法進(jìn)行高水延長(zhǎng)。

根據(jù)高水時(shí)期的實(shí)測(cè)大斷面資料，計(jì)算并點(diǎn)繪水位-面積關(guān)系曲線(xiàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)流量資料點(diǎn)繪水位-流速關(guān)系曲線(xiàn)，高水的水位流速曲線(xiàn)常趨近于與縱軸接近平行的直線(xiàn)，根據(jù)此特性，可順實(shí)測(cè)的水位流速關(guān)系曲線(xiàn)趨勢(shì)向上延長(zhǎng)，查讀出延長(zhǎng)部分各級(jí)水位相對(duì)應(yīng)的面積和流速，計(jì)算出相應(yīng)流量，據(jù)此便可確定延長(zhǎng)部分的水位流量關(guān)系曲線(xiàn)。

2.2 水力學(xué)公式法

2.2.1 曼寧公式法

(1)

式中,Q為流量，m3/s； n為河床糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降；A為斷面面積，m2。

2.2.2 史蒂文斯法

采用謝才公式：

(2)

(3)

2.3 綜合單一線(xiàn)法

如果河槽控制和斷面控制良好，河底坡降均勻，河床沖於變化較小，基本水尺位置固定，其多年的水位流量、面積、流速關(guān)系曲線(xiàn)呈單一線(xiàn)且無(wú)突變，可綜合歷年Z～Q關(guān)系曲線(xiàn)作高水延長(zhǎng)。延長(zhǎng)時(shí)將歷年和本年的實(shí)測(cè)高水資料合繪在一起，按歷年曲線(xiàn)趨勢(shì)并參照本年的斷面沖淤、流速和比降變化情況定綜合線(xiàn)進(jìn)行趨勢(shì)延長(zhǎng)[1]。

3 高水延長(zhǎng)實(shí)例

3.1 測(cè)站情況

現(xiàn)以某站2012年實(shí)測(cè)流量資料為例，進(jìn)行高水延長(zhǎng)計(jì)算分析。該站為工程專(zhuān)用站，所屬河流為典型的山區(qū)型河流，測(cè)流斷面控制較好，河床沖於變化小、斷面穩(wěn)定，其水位流量關(guān)系曲線(xiàn)為單一線(xiàn)型。當(dāng)年洪峰為設(shè)站以來(lái)最大洪峰，實(shí)測(cè)最小流量為48.5m3/s，相應(yīng)水位為1 518.27m，實(shí)測(cè)最大流量為1 080m3/s，相應(yīng)水位為1 521.69m，最高水位為1 522.87m，高水部分延長(zhǎng)超過(guò)了當(dāng)年實(shí)測(cè)流量所占水位年變幅的30%，依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》的要求，需至少采用兩種方法作高水延長(zhǎng)，并進(jìn)行比較分析。因該站無(wú)比降和糙率資料，且設(shè)站年限較短，歷史資料中無(wú)實(shí)測(cè)高水資料，水力學(xué)公式法中的曼寧公式法為順趨勢(shì)延長(zhǎng)，具有一定的任意性，而史蒂文斯法為沿直線(xiàn)延長(zhǎng)，成果精度較高，因此分別采用水位面積、流速關(guān)系曲線(xiàn)法和史蒂文斯法進(jìn)行高水延長(zhǎng)。

3.2 水位面積、水位流速關(guān)系曲線(xiàn)法

過(guò)水?dāng)嗝婷娣e采用當(dāng)年實(shí)測(cè)大斷面測(cè)量成果計(jì)算，最高水位1 522.87 m，相應(yīng)的斷面面積為397 m2，平均水深為 5.2 m。

斷面平均流速采用水位流速關(guān)系曲線(xiàn)(圖1)趨勢(shì)延長(zhǎng)，水位1 522.87 m時(shí)查得平均流速為4.37 m/s，由方程Q=VA計(jì)算得流量為1 730 m3/s。

圖1 水位流速關(guān)系

圖關(guān)系曲線(xiàn)

3.3 史蒂文斯法方案

圖3 Q～AR關(guān)系曲線(xiàn)

3.4 成果分析

兩種方法結(jié)果十分相近，絕對(duì)誤差為60 m3/s，相對(duì)誤差為 3.4%，說(shuō)明采用以上兩種方法進(jìn)行曲線(xiàn)延長(zhǎng)是可靠的。從工程設(shè)計(jì)安全方面考慮，選取流量大者。綜合分析采用史蒂文斯法計(jì)算的最終結(jié)果，即流量為1 790 m3/s，斷面平均流速為 4.51 m/s。

4 結(jié) 論

(1) 水位流量關(guān)系曲線(xiàn)高水延長(zhǎng)方案的選取需要從測(cè)站特性和已有資料方面綜合考慮，一般需要河槽控制和斷面控制較好，斷面沖淤變化小，水位流量關(guān)系曲線(xiàn)為單一線(xiàn)型的條件。

(2) 要獲得更高精度的延長(zhǎng)成果，需要日常流量測(cè)驗(yàn)精度高，盡可能測(cè)更高水位級(jí)的實(shí)測(cè)流量資料，最好能達(dá)到平均流速拐點(diǎn)的上方；要求實(shí)測(cè)大斷面資料詳細(xì)可靠，能反映斷面面積隨水位變化的真實(shí)情況。

(3) 史蒂文斯法適用于河段順直斷面穩(wěn)定的測(cè)站，其計(jì)算方法簡(jiǎn)單實(shí)用，延長(zhǎng)成果精度較高，可作為優(yōu)選方案。

(4) 一般應(yīng)采用兩種及以上方案分別延長(zhǎng)，并對(duì)成果進(jìn)行對(duì)比分析，根據(jù)測(cè)站實(shí)際情況選用延長(zhǎng)成果。

[1] SL247-2012 水文資料整編規(guī)范[S]．

(編輯：李 慧)

2017-03-31

馬經(jīng)安，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，工程師.

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