落差指數法在受上下游水利工程影響的水文站中的應用
——以黃家港水文站為例

李平 李凱 趙學軍 連雷雷

(長江委水文局漢江水文水資源勘測局,湖北 襄陽 441021)

·礦業與水利工程·

落差指數法在受上下游水利工程影響的水文站中的應用
——以黃家港水文站為例

李平 李凱 趙學軍 連雷雷

(長江委水文局漢江水文水資源勘測局,湖北 襄陽 441021)

本文通過2013、2014年實測水文資料,采用落差指數法來推算黃家港站徑流要素情況,從而達到解決受上下游水利工程影響的水文站推流問題。

水文站;水利工程影響;流量;落差指數法

黃家港水文站始建于1953年,控制面積95 217km2,多年平均流量1 200m3,為國家基本站,是一類精度的水文站和一類精度的泥沙站,為丹江口水庫運行、漢江中下游防洪預報和清水沖刷泥沙研究服務。2014年南水北調中線丹江口水庫向北方供水,黃家港站流量資料對調水決策有極大影響。

自黃家港站設立至1958年,其水位流量受洪水影響而漲落。隨著水利工程的興建、調度運作,1968年該站上游6km建成大型水利樞紐工程——丹江口水電站,來水受上游水庫發電、泄洪控制影響；下游31km王甫洲水利工程2002年建成蓄水,黃家港站測驗斷面受下游水庫變動回水影響,是典型的受上下游水利工程影響的水文測站,加之下游水庫蓄水使黃家港測驗河段水位抬高、流速減緩、水體富營養化,引起水位～流量關系變化的因素多,水位～流量關系復雜。水文測站通過加密流量監測頻次來控制水位～流量變化,但投入人力、物力極大,如何發揮水文站網群功能,通過水力因素分析提高測報精度、解放生產力、提高工作效率、減少經費支出,運用落差指數法進行黃家港站徑流分析計算應運而生。

1 落差指數法的基本原理

水文資料整編(4.10)中規定,受變動回水影響的測站,可采用落差指數法定線推流。采用落差指數法的測站河段宜順直,河槽宜基本穩定,且落差應具有代表性［1］。定線推流應采用以下方法：

假定同水位不同落差的流量符合下式：

Q1/(ΔZ1β)=Q2/(ΔZ2β)=q

式中Q1、Q2——同水位不同落差的流量；

ΔZ1、ΔZ2——與Q1、Q2相應的落差；

β——落差指數；

q——流量與落差β次方之比(或稱校正流量因數)。

其推流模型的主要流程如下：

(a)優選落差指數β,其變化范圍為0.2～0.8,在此區間內,可以采用試錯法或優選法,以定出的Z—q關系曲線,通過適線檢驗、符號檢驗、反曲檢查且不確定度最小時的β為最優β值。

(b)確定Z—q關系曲線,根據優選的β值所定的Z—q關系曲線,定線精度符合單一曲線的定線要求,即為推求流量采用的曲線。

(c)根據落差參證站的水位計算的落差ΔZ和優選的β值,用本站水位推得q值,與相應的△Zβ的乘積即為推求的流量。

2 黃家港站落差指數法應用情況

黃家港站測驗河段順直,經丹江口水庫多年沖刷,測驗斷面較穩定,且在丹江口水庫以下王甫洲水電區間布設有多處水位觀測站點,進行落差指數法推流計算分析具備《水文資料整編規范》的基本要求［2］。

2.1 黃家港站水位參證站選擇

在黃家港站上游5km布設有王家營水位站,下游3km布設有沈灣水位站。經分析王家營與黃家港站水位落差在0.35～1.2m,黃家港～沈灣站水位落差在0.05～0.4m之間,可以作為落差計算參證站,現假定王家營、沈灣站為黃家港站相對應的水位參證站(比降觀測點)。

圖1 黃家港站落差指數法水位參證站

2.2 水位參證站資料的采用

王家營、黃家港、沈灣均采用長期水位自記儀器記錄水位,但王家營水位站距丹江口水庫下游僅1km,距大壩太近,對大壩發電機組調節異常敏感、受開閘泄洪期間波浪影響大,部分時段水位呈明顯的鋸齒狀,黃家港、沈灣站距丹江口水庫相對較遠,洪水在傳播河段坦化,波浪較小,考慮到上下游數據同步,分析數據采用適時水位數據經摘錄后進行數據分析。

2.3 落差指數法分析

在黃家港站水位摘錄后水位線上,用時間內插法推求出王家營、沈灣站對應時間的水位,計算對應時間黃家港站～王家營站、黃家港站～沈灣站的水位落差,同時考慮黃家港站流量測驗時段水位變化情況,加以權重,計算出綜合落差［3］。

將黃家港站2013、2014年實測流量通過上述落差方程Q1/(ΔZ1β)=Q2/(ΔZ2β)=q計算,得出與落差△Z次方之比,由此可得到一系列的校正流量因數q,將其同相應的水位在坐標格網紙上展點,得到Z～q關系曲線。通過對擬合曲線的檢驗及隨機不確定度的計算,進行試錯法,求得最優β值參數。

3 落差指數法推流計算

經過試驗優選,在黃家港站β值取0.46時,王家營和沈灣落差權重β分別為0.26和0.74時,數據線性程度最好,離散最小。統計得到,推算流量值與實測值之間系統誤差0.02,隨機不確定度7.35%。

將上述落差指數應用于南方片資料整編程序進行整編計算,同黃家港站臨時曲線法推流整編結果相比較如下圖2。

圖2 推流整編結果以2013年為例

年徑流量,臨時曲線法為267.1億m3,落差指數法為265.1億m3,誤差一0.7%。

4 結語

受水利工程影響的水文站采用落差指數法進行流量資料的推算,可以達到一定的精度,但對于像黃家港站這樣流量精度高的測站,現階段不能滿足生產需要。多收集資料,合理取用相關參數,可作為輔助推流分析使用。

表1 2013年月平均流量統計表

表2 2013年月最大值流量統計表

表3 2013年月最小值流量統計表

對黃家港站用該法時的精度主要取決于公式中相關參數的選取。

影響相關參數確定的因素主要有落差計算,采用的水位曲線摘錄法,對于天然河流,采取擬合走中線法是否恰當等,但對于受變動回水影響的測站,部分時間的水位波動,應為河流水體的真實反映,若采取中線法摘錄,對落差的計算精度會存在一定的影響。

［1］中華人民共和國水利部.SL247一2012水文資料整編規范［S］.北京:中國水利水電出版社.

［2］中華人民共和國水利部.GB50179一93河流流量測驗規范［S］.北京:中國計劃出版社.

［3］中華人民共和國水利部.GB/T50138一2010水位觀測標準［S］.北京:中國計劃出版社.

APPlication of GaP Index Method in Hydrological Station Influenced by UPstream And Downstream Water Conservancy Projects——Taking the Hangjiagang Hydrological Station As an Example

Li PingLi KaiZhao XuejunLian Leilei
(Han River Hydrological and Water Resources Survey Bureauofthe Yangtze River Hydrological Bureau,Xiangyang Hubei 441021)

This paper,according to the measured hydrological data in2013 and 2014,calculatedthe condition of runoff factors at Huangjiagang station by gap index method,so as to solve the hydrological station plug flow problem affected by upstream and downstream water conservancy projects.

hydrological station;effect of water conservancy project;flow;gapindex method

P333

A

1003一5168(2015)07一0070一3