◎李海露
在眾多相關(guān)水文數(shù)據(jù)當(dāng)中,河水流量是基本也是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)類型,其具體數(shù)值主要通過(guò)河道中的水文控制斷面相對(duì)應(yīng)的水位-流量關(guān)系線所計(jì)算得出。超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線模型的成功擬定,將可以及時(shí)有效的發(fā)揮各地水文測(cè)站的作用,能夠在未來(lái)面對(duì)大規(guī)模超標(biāo)暴雨洪水時(shí),及時(shí)快速地測(cè)算出洪水水位的相關(guān)信息,為防洪工作提供重要的保障,有效避免出現(xiàn)洪水災(zāi)害問(wèn)題。
超標(biāo)斷面洪水水位流量關(guān)系公式主要利用流量與某一斷面的水位建立而成的,表示被測(cè)水文站基本水尺斷面,經(jīng)過(guò)該斷面的實(shí)測(cè)最大流量值與該斷面水位之間關(guān)系的公式。若所要求觀測(cè)區(qū)域的實(shí)際水位位置與實(shí)際測(cè)流點(diǎn)不相屬在同一個(gè)水文斷面,兩個(gè)水文斷面位置之間的距離比較近,中間若沒(méi)有其他河道分流點(diǎn)或有支流的匯入,則又可視為直接的在這其中建立的水位流量關(guān)系。在確定水位流量關(guān)系中,需要對(duì)流量進(jìn)行實(shí)測(cè)并確定相應(yīng)水位,由于河流處于不斷變化的狀態(tài),因此在分析水位流量關(guān)系時(shí)其中的特征參數(shù)也會(huì)不斷發(fā)生變化,這最主要是由沖刷或淤積等情況導(dǎo)致的。除此之外,水生植物、冰蓋、砂石等也會(huì)一定程度上引起關(guān)系特征的變化。根據(jù)河床穩(wěn)定性程度可以將水位流量關(guān)系分成穩(wěn)定關(guān)系和不穩(wěn)定關(guān)系。對(duì)于上述不同流量河段站而言,自然天氣因素變動(dòng)和自然人為活動(dòng)影響等情況都會(huì)共同影響到水位流量關(guān)系。
在穩(wěn)定水位流量關(guān)系下,會(huì)呈現(xiàn)出一條近似于拋物線的單一曲線。對(duì)于該關(guān)系線的分析應(yīng)先目測(cè)估算,在點(diǎn)群中心位置處擬定一條線,并能確保其中的檢測(cè)點(diǎn)在關(guān)系曲線上兩側(cè)都均勻的分布,使用點(diǎn)群分組和計(jì)算重心的方法來(lái)確定關(guān)系線。在一個(gè)初步確定的水位曲線范圍處劃分出一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定水位級(jí),并可在以上各穩(wěn)定水位級(jí)下的同一穩(wěn)定水位級(jí)處分別將在其中確定的恒定流速、流量和面積讀出并分析其中的關(guān)系,控制其中的誤差小于3%,在此基礎(chǔ)上計(jì)算不確定度,將誤差控制在2%內(nèi)。不穩(wěn)定水位流量關(guān)系下,所要呈現(xiàn)出的水位曲線表現(xiàn)為形狀起伏不唯一且水位變化很復(fù)雜的一條直線或多條水平曲線。由于影響因素的不同,水位流量關(guān)系曲線中的測(cè)點(diǎn)及其分布和狀態(tài)情況也都有所的不同,在分析水位流量關(guān)系時(shí)需控制同一區(qū)域內(nèi)的水文站測(cè)點(diǎn)變動(dòng)因素,使其保持一致,并在相對(duì)穩(wěn)定期間內(nèi)測(cè)出水位流量關(guān)系情況。對(duì)于其中斷面變化的時(shí)期,可以采用自然過(guò)渡或內(nèi)插過(guò)渡等方式結(jié)合水位變化情況和測(cè)點(diǎn)分布情況判斷水位流量關(guān)系。
超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系定線中,對(duì)流量數(shù)據(jù)信息的測(cè)量是重點(diǎn),因此在對(duì)相關(guān)信息整合處理時(shí),需要包括對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理和大斷面成果數(shù)據(jù)的整理,繪制相應(yīng)的水位面積、水位流量和水位流速等關(guān)系曲線,并對(duì)關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理,對(duì)平均流量和水文要素表等加強(qiáng)分析和檢查。在水位流量關(guān)系定線前必須加強(qiáng)對(duì)流量資料的整編,使上述提到的各過(guò)程相互進(jìn)行。在資料編制整合完成后,繪制相關(guān)水位變化的曲線,將其中的數(shù)據(jù)自動(dòng)整合加工和分析。在此過(guò)程中,還需要加強(qiáng)對(duì)測(cè)站特征的了解,分析測(cè)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)程度,對(duì)當(dāng)?shù)氐乃橛绕浜樗闆r等加強(qiáng)調(diào)查研究。以此為基礎(chǔ),認(rèn)真審查流量信息和材料,保證信息的準(zhǔn)確性和真實(shí)性后再開(kāi)展后續(xù)工作。
針對(duì)穩(wěn)定水位流量關(guān)系主要表現(xiàn)為測(cè)站控制程度較高,水位流量關(guān)系變化影響因素基本保持穩(wěn)定狀態(tài),即使其中的影響因素變化,隨著水位發(fā)生變化,其中的影響因素之前也能相對(duì)互補(bǔ),同樣使水位流量關(guān)系線為單一曲線。在這種情況下,要想選擇合適的測(cè)站位置需要考慮多方面因素。針對(duì)于本身不夠穩(wěn)定但因經(jīng)過(guò)特定處理或引入水力因素后呈現(xiàn)出穩(wěn)定關(guān)系的情況,在編制中要對(duì)其特殊說(shuō)明,對(duì)其中所通過(guò)哪種處理關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明,加強(qiáng)對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)資料的研究和剖析。
針對(duì)不穩(wěn)定水位流量關(guān)系,其受到更多因素的影響,且受到影響因素不同會(huì)呈現(xiàn)出不同的測(cè)點(diǎn)分布狀態(tài)。若是受到?jīng)_淤影響,同一水位的面積會(huì)增大或減小,水位流量關(guān)系會(huì)隨之發(fā)生變化;受到洪水漲落的影響時(shí),洪水波產(chǎn)生的附加比降發(fā)生變化,導(dǎo)致水位相同情況下,洪水流速增大,流量也會(huì)相對(duì)增大,反之流量會(huì)減小,漲水點(diǎn)和落水點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)偏移情況,導(dǎo)致水位流量關(guān)系線出現(xiàn)變化。若是受到水生植物的影響,在其生長(zhǎng)期內(nèi),過(guò)水面積減小,糙率增大,水位流量關(guān)系線中的點(diǎn)分布會(huì)逐漸向左偏移,在水生植物枯竭期,該影響減小或消失,水位流量關(guān)系線中的點(diǎn)分布也會(huì)逐漸向右偏移。
對(duì)于水位流量關(guān)系定線推流方法的選擇和操作技巧,以單一線為例,應(yīng)根據(jù)測(cè)站的特征情況,采用數(shù)學(xué)模型或插值法完成曲線的擬定。使用單一曲線法推流需要對(duì)其進(jìn)行單值化處理,通常使用流率表或多項(xiàng)式方程方法進(jìn)行處理,表現(xiàn)出水位流量的單一關(guān)系。使用單一水位流量關(guān)系定線的主要原則在于:1.全年實(shí)測(cè)流量點(diǎn)應(yīng)能控制當(dāng)年水位變幅75%左右,高水延長(zhǎng)不能大于20%,低水區(qū)延長(zhǎng)控制在5%以內(nèi)。2.在實(shí)測(cè)流量中,年頭與年末銜接的位置要繪制上年末和下年初各1-3個(gè)測(cè)點(diǎn),且保證接頭位置測(cè)點(diǎn)的精確度,一類精度站不應(yīng)大于±3%,其他站不應(yīng)大于±5%。(單值化處理的站可放寬至±5%)。3.關(guān)系曲線在繪制的過(guò)程中應(yīng)經(jīng)過(guò)點(diǎn)群的中心,保證曲線的連續(xù)性和圓滑性,各點(diǎn)之間自然連接,不能出現(xiàn)反曲的情況。對(duì)于所有水位流量關(guān)系點(diǎn)中分布較為異常的測(cè)點(diǎn)要深入分析其異常原因,若是由水力因素所導(dǎo)致的異常情況,可作為可靠資料,需要對(duì)其進(jìn)一步分析,計(jì)算和檢驗(yàn)其中存在的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)信息等,若屬于計(jì)算或測(cè)驗(yàn)方面的錯(cuò)誤,則應(yīng)予以改正,并對(duì)曲線加以調(diào)整,無(wú)法改正的,予以舍棄并做相應(yīng)說(shuō)明。在此過(guò)程中,使用單一曲線進(jìn)行定線推流的測(cè)站要保證其分布的均勻合理性,并確保漲落水面測(cè)次分布的均勻性,控制好相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離分布。在完成以上工作后,進(jìn)行隨機(jī)不確定度和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算和檢驗(yàn),確保其符合精準(zhǔn)要求。具體來(lái)說(shuō),使用單一曲線法進(jìn)行定線工作時(shí),其中流速儀法測(cè)流定線精度應(yīng)該符合定線精度指標(biāo)如下表。
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將以上研究作為基礎(chǔ),分析超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線的擬定方法。為了能促使今后在同一汛期內(nèi)各個(gè)水文測(cè)站內(nèi)超標(biāo)洪水等級(jí)的聯(lián)合測(cè)報(bào)等工作得到有序協(xié)調(diào)開(kāi)展,必須首先根據(jù)自身現(xiàn)有能力需求,對(duì)各種超標(biāo)的洪水水位流量關(guān)系線圖加以分類擬定,并逐步將其指標(biāo)作為各類水文站觀測(cè)的主要重點(diǎn)或衡量參考指標(biāo),等級(jí)進(jìn)行合理劃分,以此逐步確定測(cè)算出相應(yīng)具體級(jí)別的最高水位流量和最小流量節(jié)點(diǎn),以此數(shù)據(jù)作為決策重要基礎(chǔ)依據(jù)和制定了相應(yīng)科學(xué)的綜合測(cè)報(bào)方案。對(duì)此,本文以安徽省安慶市的十處水文站作為主要案例進(jìn)行分析。
由于安徽省安慶市地區(qū)在近幾年基本上屬于平水年份,因此對(duì)其中的監(jiān)測(cè)站網(wǎng)基本是沒(méi)有可能出現(xiàn)大面積超標(biāo)或洪水泛濫的異常情況,所以筆者在實(shí)際繪制水位流量關(guān)系線時(shí),對(duì)其中的低中水位部分和高中高水位部分是參考了2020年汛期及汛前連續(xù)三年出現(xiàn)的大流量數(shù)據(jù)情況,中高水位部分則是完全參照了歷年來(lái)所出現(xiàn)的斷面情況,分析研究大水?dāng)?shù)據(jù)以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)情況。其次,要對(duì)所選擇的材料進(jìn)行綜合性分析,繪制整理出了相應(yīng)類型的河流水位面積關(guān)系圖、水位變化和平均流速關(guān)系圖、水位變動(dòng)和斷面最大水位流速關(guān)系圖以及斷面水位流量關(guān)系圖等,保證中高水區(qū)域的水位數(shù)量關(guān)系多年綜合線的精確度。在繪制多年綜合線時(shí),要在對(duì)以上各類實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)上進(jìn)行,并根據(jù)測(cè)站的實(shí)際情況繪制相應(yīng)的水位流量關(guān)系線,其中在將中高水區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)在關(guān)系線上表現(xiàn)出來(lái),并在電腦繪制后分析所繪制的關(guān)系線合理程度。通常來(lái)說(shuō),在中高水區(qū)域的流量面積保持與大水時(shí)期的平均流速相一致的變化趨勢(shì),能夠有利于所繪制的關(guān)系線更符合測(cè)站的特征,在超標(biāo)洪水測(cè)報(bào)時(shí),使用多年綜合線能夠使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。
曼寧公式法主要在于在使用流速儀測(cè)量測(cè)速時(shí),會(huì)存在一定的難度,需要利用特殊情況下的測(cè)量手段,該方法又被稱為比降面積法。應(yīng)用曼寧公式法就可以先通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行的分析而推測(cè)得出實(shí)際糙率情況,對(duì)于那些缺少了實(shí)測(cè)流動(dòng)數(shù)據(jù)資料的實(shí)際糙率曲線上的高水位區(qū)域資料,進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),可以直接將其與河段中的各類特征相結(jié)合,包括下游控制情況、植物生長(zhǎng)情況、岸壁組成情況等,以此選取合適的糙率值,控制其延長(zhǎng)幅度在20%以內(nèi)。利用曼寧公式法計(jì)算也同樣需要我們先進(jìn)行資料來(lái)源的分析選擇,進(jìn)一步比對(duì)在歷年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料中所挑選的出水面比降數(shù)值和糙率數(shù)據(jù)值。在我們對(duì)相關(guān)河流實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)信息重新進(jìn)行了整合及分析處理后,該地區(qū)河流近十年來(lái)實(shí)測(cè)出的糙率數(shù)據(jù)信息和實(shí)測(cè)水面比降數(shù)值信息均較少,更多的為十幾年以前甚至更久之前的數(shù)據(jù)信息。在分析過(guò)程中,河床的沖淤、斷面地物或整治等因素會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生一定變化,但當(dāng)擬定流量關(guān)系線法時(shí)直接使用曼寧公式法計(jì)算還是能夠起到保證及一定程度的分析參考意義。對(duì)各測(cè)驗(yàn)站實(shí)測(cè)糙率分別繪制的關(guān)系圖,并進(jìn)一步分析了其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)及其分布等情況,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)點(diǎn)分布不集中,因此在分析數(shù)據(jù)時(shí),對(duì)歷年流量信息進(jìn)行排列,選擇其中五年一遇的流量數(shù)據(jù)和在以上分析中所得到的水面比降和糙率信息作為超標(biāo)洪水的數(shù)據(jù)信息,使用曼寧公式對(duì)實(shí)際水位流量關(guān)系曲線加以計(jì)算分析,并分別將此計(jì)算數(shù)據(jù)與多年觀測(cè)綜合關(guān)系線及分別繪制出來(lái)的實(shí)測(cè)關(guān)系線結(jié)合進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證及分析。通過(guò)計(jì)算參與測(cè)量的各站實(shí)測(cè)的洪水實(shí)際的測(cè)量變化情況進(jìn)一步加以驗(yàn)證分析,形成相應(yīng)洪水的實(shí)際水位面積關(guān)系圖,得出實(shí)際超標(biāo)洪水實(shí)測(cè)的水面比降值數(shù)據(jù)和糙率數(shù)據(jù)。
在擬定水位流量關(guān)系線中,處于同一水文分區(qū)的洪水,影響因素主要在于流域的集水面積。單參數(shù)地區(qū)綜合法主要對(duì)于同一分區(qū)內(nèi)測(cè)站中的多年內(nèi)平均洪峰流量和流域集水面積之間的關(guān)系加以研究。將洪水分區(qū)作為一個(gè)單元,對(duì)分區(qū)中的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)信息加以分析,建立分區(qū)內(nèi)部的平均洪峰流量平均值和變差系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值之間的關(guān)系公式。為了整合和分析安慶市相關(guān)數(shù)據(jù)信息,對(duì)該地區(qū)水文手冊(cè)中信息進(jìn)行調(diào)取和分析,對(duì)其中各相關(guān)分區(qū)進(jìn)行分類并計(jì)算洪水特征情況,通過(guò)其中的參數(shù)信息計(jì)算得出不同頻率的洪峰流量。在此基礎(chǔ)上再結(jié)合使用曼寧公式,計(jì)算出流量、斷面面積、比降和糙率之間的關(guān)系,對(duì)斷面的水位加以勘查并建立水位流量關(guān)系線。
多參數(shù)地區(qū)綜合法是主要研究應(yīng)用于在單一面積環(huán)境下,對(duì)某單參數(shù)地區(qū)利用綜合公式來(lái)對(duì)當(dāng)?shù)睾樗闆r等進(jìn)行粗略計(jì)算分析和推測(cè)的一種方法,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)計(jì)算過(guò)程的誤差。由于多年暴雨特性變化和多年洪峰流量變化趨勢(shì)與我國(guó)地域特征均有其一定復(fù)雜的相互關(guān)系,因此為了力求避免分析出現(xiàn)一些較大的誤差,可以建立相應(yīng)的關(guān)系曲線和公式,包括主河道平均比降、流域日平均雨量和流域形狀等相關(guān)參數(shù)與洪峰流量之間的關(guān)系,以此為基礎(chǔ)制定多參數(shù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式,進(jìn)而擬定水位數(shù)量關(guān)系線。
多年綜合線擬定結(jié)合使用曼寧公式法、單參數(shù)地區(qū)綜合法和多參數(shù)地區(qū)綜合法等對(duì)水位流量關(guān)系線進(jìn)行擬定,對(duì)歷年水位流量關(guān)系線數(shù)據(jù),進(jìn)行初步擬定,以此形成綜合性分析方法可以進(jìn)一步的提高水位流量關(guān)系線圖的數(shù)據(jù)精確度。將基本斷面水位面積分級(jí)表作為基礎(chǔ),分別繪制出水位流量關(guān)系線、水位面積關(guān)系下和水位平均流速關(guān)系線,將這些關(guān)系線綜合精細(xì)化處理,形成三種相統(tǒng)一的關(guān)系線,進(jìn)而更好地對(duì)超標(biāo)洪水情況進(jìn)行測(cè)報(bào)。
實(shí)測(cè)年最大流量頻率分析法利用頻率分析軟件對(duì)各數(shù)據(jù)多種頻率的相應(yīng)流量情況分析。利用曼寧公式對(duì)水位流量關(guān)系加以計(jì)算分析,在流量相同的情況下查找出相對(duì)應(yīng)的水位信息,使不同頻率水位對(duì)應(yīng)不同的流量特征,以此形成水位流量關(guān)系線。
使用以上所提到的全部超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法,能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀斷面情況和歷年來(lái)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合性分析,并力圖在數(shù)據(jù)整合研究和圖表繪制技術(shù)的研究基礎(chǔ)上將圖中的高水部分的單位面積、平均水位流速變化等各種相關(guān)數(shù)值情況全部繪制計(jì)算出來(lái),使其計(jì)算點(diǎn)群數(shù)據(jù)較為集中。中高水位區(qū)域內(nèi)的洪水流量頻率,相同頻率情況下,大水的最大平均洪水流速走勢(shì)與全國(guó)歷年來(lái)平均的大水的最大平均流速趨勢(shì)都較為趨于相似,且流量關(guān)系線圖的繪制形式較為趨向接近,在不同頻率情況下,洪水的實(shí)際集水面積和最大洪峰流量面積之間的流量關(guān)系線的擬合方法較好,所以相比較而言,擬合的多年綜合線更符合測(cè)站的特征,得到的水位流量關(guān)系線更為精準(zhǔn)。
但在以上超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法中仍然存在一定問(wèn)題。首先,所參考的相關(guān)手冊(cè)信息主要記錄2009年之前的相關(guān)數(shù)據(jù)資料,雖然在使用多參數(shù)地區(qū)綜合法分析計(jì)算時(shí)能夠滿足30a以上系列資料的相關(guān)要求,且能夠具有較強(qiáng)的代表性,但是由于不同年份之間的斷面以上水利工程和生態(tài)環(huán)境等各種因素會(huì)存在一定差距,導(dǎo)致數(shù)據(jù)參考性精準(zhǔn)度有一定影響。其次,由于該地區(qū)暴雨通常局部性出現(xiàn),雨量分布也較為分散稀松,呈不均勻分布的形式,但在相關(guān)記錄中關(guān)于雨量的記錄信息較少,其中地值線圖等也難以準(zhǔn)確地反映大范圍下的暴雨趨勢(shì)和分布形態(tài),難以反映其中地形的影響,導(dǎo)致對(duì)局部暴雨的控制力度較弱。所以,在使用多參數(shù)地區(qū)綜合法計(jì)算分析時(shí),選擇降水均值數(shù)據(jù)時(shí)基本斷面以上流域的面積相對(duì)較小,精準(zhǔn)度較低。另外,由于其中部分河道屬于平原區(qū)地勢(shì)地形,且會(huì)受到上游水利工程等因素的影響,若是僅通過(guò)公式計(jì)算所得到的流量會(huì)與實(shí)際值存在較大差距。
綜合以上提出以下建議:1.在實(shí)際使用曼寧公式法時(shí),需要結(jié)合具有充分驗(yàn)證性的實(shí)測(cè)現(xiàn)狀斷面水面流量比降數(shù)據(jù)資料,還需要利用實(shí)測(cè)糙率信息等,由于水面測(cè)量數(shù)據(jù)是很久之前的數(shù)據(jù)信息,導(dǎo)致水位糙率關(guān)系點(diǎn)不夠集中,因此,為了提高水位流量關(guān)系線的精準(zhǔn)度,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)狀斷面水面比降數(shù)據(jù)和糙率信息的收集和分析,使其更加契合于當(dāng)下的測(cè)站特征。2.受到地形沖淤等變化、斷面的整治力度和斷面地物、基本斷面和以上生態(tài)環(huán)境變遷和其他水利工程影響等多種水文因素相互作用的復(fù)雜影響,導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)信息將存在有較多范圍的局部變動(dòng),因此今后在準(zhǔn)確繪制多年實(shí)測(cè)綜合流量關(guān)系線時(shí)更需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)歷年實(shí)測(cè)的水位流量信息動(dòng)態(tài)的局部調(diào)整處理和誤差糾正,使其更好地分析應(yīng)用于水利工程實(shí)際。3.在相關(guān)手冊(cè)中所記載的參數(shù)地區(qū)綜合法中,公式較為簡(jiǎn)潔,其使用起來(lái)較為便捷,但是由于其簡(jiǎn)單性也存在著難以反映特殊流域中的參數(shù)特性和影響因素等問(wèn)題,比如難以反映在設(shè)計(jì)流域下的流域形狀和河道比降情況,或者在設(shè)計(jì)流域內(nèi)的坡度特別陡峭或地形特殊時(shí),要想計(jì)算和擬定水位流量關(guān)系線還需要綜合使用多參數(shù)地區(qū)綜合公式法進(jìn)行。
綜上所述,超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線的擬定有多種方法,且每種方法影響因素和發(fā)揮的效果有所不同。通過(guò)對(duì)水位流量關(guān)系線的擬定,能夠有效幫助相關(guān)水文工作人員在水位流量關(guān)系發(fā)生變化的情況下,及時(shí)采取相應(yīng)的措施控制流量的變化,以科學(xué)的手段掌握河段的水位流量變化情況,實(shí)現(xiàn)對(duì)河道的有效控制。