水文測(cè)站受洪水漲落影響下的水位流量關(guān)系分析

【摘要】本文闡述了何為水文測(cè)站以及測(cè)站的水位流量關(guān)系，分析了水文測(cè)站受洪水漲落影響下的水位流量關(guān)系變化規(guī)律，分析了洪水漲落過(guò)程中各水力因素極值出現(xiàn)的順序。對(duì)水文測(cè)站在收集探索水文特征值在時(shí)間和沿河長(zhǎng)和區(qū)域變化規(guī)律所需具有代表性的樣本資料以及各種下墊面條件下的產(chǎn)、匯流規(guī)律、徑流變化規(guī)律、以及水文分析計(jì)算具有參考作用。

【關(guān)鍵詞】水文測(cè)站洪水漲落影響分析

前言

水文測(cè)站是在河流上或流域內(nèi)設(shè)立的，按一定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常收集和提供水文要素的各種水文觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的總稱(chēng)。設(shè)在天然河道上的流量站，根據(jù)測(cè)站的控制面積分為：大河控制站、區(qū)域代表站和小河站。一個(gè)測(cè)站的水位流量關(guān)系是指基本水尺斷面處的水位與通過(guò)該斷面的流量之間的關(guān)系。有時(shí)由于各種條件的限制，測(cè)流斷面與基本水尺斷面不在同一處，相距較近時(shí)，一般不會(huì)影響水位流量關(guān)系的建立，相距較遠(yuǎn)時(shí)，若中間無(wú)大支流匯入，兩斷面處的流量基本相等，則基本斷面處的水位與測(cè)流斷面的流量仍可建立關(guān)系。下面主要對(duì)水文測(cè)站受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系進(jìn)行分析。

1、受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系分析

在洪水漲落過(guò)程中，由于洪水波傳播所引起的附加比降的不同，使斷面上的流量與同水位穩(wěn)定的流量相比產(chǎn)生有規(guī)律的增大或減少，反映在水位流量關(guān)系上，曲線呈逆時(shí)針的繩套曲線，這種因洪水漲落而產(chǎn)生的同水位下流量的增減稱(chēng)作洪水漲落影響，因洪水漲落影響而形成的水位流量關(guān)系曲線稱(chēng)為洪水繩套曲線。

2、洪水漲落影響下的流量計(jì)算

3、洪水繩套曲線的特征

3.1 洪水繩套曲線為一逆時(shí)針的繩套

洪水上漲時(shí)，其漲落率為正，附加比降為正，從（1-4）式中可知漲水的因數(shù)大于1，因此，其流量大于同水位的穩(wěn)定流流量。同理，落水的漲落率為負(fù)，其流量小于同水位的穩(wěn)定流流量。一次洪水漲落過(guò)程的水位流量關(guān)系曲線呈一逆時(shí)針的繩套曲線，如圖1-1中的水位流量關(guān)系曲線。

3.2 洪水繩套曲線上各水力因素極值的出現(xiàn)順序有一定規(guī)律

洪水漲落影響時(shí)各水力因素極值的出現(xiàn)順序依次為最大比降（最大漲率）、最大流速、最大流量、和最高水位反映在繩套曲線上，如圖1-1所示。

3.2.1 最大流量出現(xiàn)在最高水位之前

若取某一距離很小的河段AB，因洪水波在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生展開(kāi)與扭曲變形，使下游流量過(guò)程線變胖。漲水時(shí)上斷面A的流量大于B斷面的流量，退水時(shí)A斷面流量減小速度比B斷面要快。時(shí)刻將會(huì)有QA=QB，如圖1-2所示，此時(shí)aQ/aL=0。從不穩(wěn)定流的連續(xù)方程可知aQ/aL +aA/at=0 ，即在t時(shí)刻出現(xiàn)了最高水位，由于 t時(shí)處在退水段，所以最大流量已出現(xiàn)，即最大流量出現(xiàn)在最高水位之前。因圣維南方程組的連續(xù)方程是一個(gè)微分方程，因此河段間距是極小的。若AB間距過(guò)大，雖然也會(huì)有一時(shí)刻使QA=QB，由于aQ/aL0，故此時(shí)刻也不是最高水位出現(xiàn)的時(shí)刻。

3.2.2 最大流速出現(xiàn)在最大流量之前，

由Q=AV可得dQ/dt=VdA/dt +AdV/dt

當(dāng)出現(xiàn)最大流量時(shí)dQ/dt=0，由以上分析可知，此時(shí)最高水位尚未出現(xiàn)，還處于漲水階段即d/dt>0，在斷面穩(wěn)定的條件下，漲水過(guò)程中dA/dt>0。只有AdV/dt<0，才能滿足最大流量出現(xiàn)的條件，因A>0，故有dV/dt<0。說(shuō)明當(dāng)最大流量出現(xiàn)時(shí)流速已跨越最大值而減小，即最大流速出現(xiàn)在最大流量之前。

3.2.3 最大比降出現(xiàn)在最大流速之前，由謝才公式可知

V=C，V2=C2S，對(duì)t求導(dǎo)數(shù)得

2V=dV/dt=C2 +C2S×d/dt，

最大流速出現(xiàn)時(shí)，dV/dt=0，則

C2 +C2S×d/dt=0。因S、均為正值，而最大流速時(shí)最高水位尚未出現(xiàn)，即水深變率d/dt>0。為滿足dV/dt=0的條件，必有<0，說(shuō)明此時(shí)比降已跨過(guò)最大值在減小，即最大比降出現(xiàn)在最大流速之前。由S=Sc+1/U×Δz/Δt，對(duì)于順直河段Sc變化不大，洪水波速近似于常數(shù)，當(dāng)漲率最大時(shí)，水面比降也最大。因此，最大漲率也出現(xiàn)在最大流速之前。

綜上所述，在一次洪水漲落過(guò)程中各水力因素極值出現(xiàn)的順序依次為：最大比降（最大漲率）Smax，{（）max}，最大流速Vmax，最大流量Qmax，最高水位Zmax，反映在繩套曲線上如圖1-1所示。

3.2.4 洪水繩套曲線與水位過(guò)程線關(guān)系密切，洪水流量的大小與漲落率即水位過(guò)程線的斜率密切相關(guān)。在水位過(guò)程線較陡的時(shí)段中，通常漲落率較大，洪水繩套曲線偏離穩(wěn)定水位流量關(guān)系曲線的程度也較大。就同一測(cè)站的各次洪水而言，水位漲落急劇者所形成的繩套曲線較胖。在水位過(guò)程線上的各個(gè)峰、谷點(diǎn)，因其漲落率為0，故其流量與同水位下穩(wěn)定流的流量是一樣的。

3.2.5 復(fù)式繩套中后一個(gè)繩套較前一個(gè)繩套稍偏左方，我們一般把單次洪水所形成的繩套曲線稱(chēng)作單式繩套曲線。若一次洪水上漲后尚未退完，另一次洪水又接踵而來(lái)，造成水位復(fù)漲形成連續(xù)洪峰，與此相應(yīng)的洪水繩套曲線通常稱(chēng)為復(fù)式繩套曲線。

出現(xiàn)連續(xù)洪水時(shí)，由于河槽的調(diào)蓄作用，河谷雍水致使后到

的洪水的穩(wěn)定流比降變小。由Q=Qc，可知同水位穩(wěn)定流流量比前一次洪水時(shí)小，因此，復(fù)式繩套的后一繩套相對(duì)于前一個(gè)繩套位置偏左方，如圖1-3所示。

由于連續(xù)洪水的后一次洪水除受洪水漲落影響外，還受河槽量對(duì)測(cè)流斷面的比降產(chǎn)生影響。因此，有時(shí)對(duì)洪水漲落影響的連續(xù)洪水分析時(shí)作為對(duì)洪水漲落與變動(dòng)回水的混合影響。

4、結(jié)語(yǔ)

水文測(cè)站受洪水漲落影響的水位流量關(guān)系呈非穩(wěn)定關(guān)系，同水位下可以有相應(yīng)兩個(gè)以上的流量，這樣的水位流量關(guān)系稱(chēng)為不穩(wěn)定的水位流量關(guān)系。受洪水漲落影響的測(cè)站，洪水時(shí)，由于洪水波產(chǎn)生附加比降的影響，洪水過(guò)程的流速與同水位下穩(wěn)定流時(shí)的流速相比，漲水流速增大，流量也增大，落水時(shí)則相反。在一次洪水過(guò)程中，水位面積關(guān)系點(diǎn)子分布為帶狀，水位流量、水位流速關(guān)系點(diǎn)子的分布相應(yīng)，漲水點(diǎn)偏右，落水點(diǎn)偏左，峰、谷點(diǎn)居中。若依時(shí)序連接各點(diǎn)，則形成以峰、谷點(diǎn)連線為軸線的逆時(shí)針繩套曲線。繩套的寬窄，由洪水特性所決定，一般孤立的洪峰形成單式繩套，連續(xù)的洪峰形成復(fù)式繩套，后到的洪峰繩套由于受河谷雍水影響略向左偏。

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作者簡(jiǎn)介：趙愛(ài)國(guó)（1974—）男工程師，本科，主要從事水文水資源勘測(cè)與分析方面的工作。