水文測站受洪水漲落影響下的水位流量關系分析

【摘要】本文闡述了何為水文測站以及測站的水位流量關系，分析了水文測站受洪水漲落影響下的水位流量關系變化規律，分析了洪水漲落過程中各水力因素極值出現的順序。對水文測站在收集探索水文特征值在時間和沿河長和區域變化規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、匯流規律、徑流變化規律、以及水文分析計算具有參考作用。

【關鍵詞】水文測站洪水漲落影響分析

前言

水文測站是在河流上或流域內設立的，按一定技術標準經常收集和提供水文要素的各種水文觀測現場的總稱。設在天然河道上的流量站，根據測站的控制面積分為：大河控制站、區域代表站和小河站。一個測站的水位流量關系是指基本水尺斷面處的水位與通過該斷面的流量之間的關系。有時由于各種條件的限制，測流斷面與基本水尺斷面不在同一處，相距較近時，一般不會影響水位流量關系的建立，相距較遠時，若中間無大支流匯入，兩斷面處的流量基本相等，則基本斷面處的水位與測流斷面的流量仍可建立關系。下面主要對水文測站受洪水漲落影響的水位流量關系進行分析。

1、受洪水漲落影響的水位流量關系分析

在洪水漲落過程中，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定的流量相比產生有規律的增大或減少，反映在水位流量關系上，曲線呈逆時針的繩套曲線，這種因洪水漲落而產生的同水位下流量的增減稱作洪水漲落影響，因洪水漲落影響而形成的水位流量關系曲線稱為洪水繩套曲線。

2、洪水漲落影響下的流量計算

3、洪水繩套曲線的特征

3.1 洪水繩套曲線為一逆時針的繩套

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

3.2 洪水繩套曲線上各水力因素極值的出現順序有一定規律

洪水漲落影響時各水力因素極值的出現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，因洪水波在運動中發生展開與扭曲變形，使下游流量過程線變胖。漲水時上斷面A的流量大于B斷面的流量，退水時A斷面流量減小速度比B斷面要快。時刻將會有QA=QB，如圖1-2所示，此時aQ/aL=0。從不穩定流的連續方程可知aQ/aL +aA/at=0 ，即在t時刻出現了最高水位，由于 t時處在退水段，所以最大流量已出現，即最大流量出現在最高水位之前。因圣維南方程組的連續方程是一個微分方程，因此河段間距是極小的。若AB間距過大，雖然也會有一時刻使QA=QB，由于aQ/aL0，故此時刻也不是最高水位出現的時刻。

3.2.2 最大流速出現在最大流量之前，

由Q=AV可得dQ/dt=VdA/dt +AdV/dt

當出現最大流量時dQ/dt=0，由以上分析可知，此時最高水位尚未出現，還處于漲水階段即d/dt>0，在斷面穩定的條件下，漲水過程中dA/dt>0。只有AdV/dt<0，才能滿足最大流量出現的條件，因A>0，故有dV/dt<0。說明當最大流量出現時流速已跨越最大值而減小，即最大流速出現在最大流量之前。

3.2.3 最大比降出現在最大流速之前，由謝才公式可知

V=C，V2=C2S，對t求導數得

2V=dV/dt=C2 +C2S×d/dt，

最大流速出現時，dV/dt=0，則

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

綜上所述，在一次洪水漲落過程中各水力因素極值出現的順序依次為：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程線關系密切，洪水流量的大小與漲落率即水位過程線的斜率密切相關。在水位過程線較陡的時段中，通常漲落率較大，洪水繩套曲線偏離穩定水位流量關系曲線的程度也較大。就同一測站的各次洪水而言，水位漲落急劇者所形成的繩套曲線較胖。在水位過程線上的各個峰、谷點，因其漲落率為0，故其流量與同水位下穩定流的流量是一樣的。

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

出現連續洪水時，由于河槽的調蓄作用，河谷雍水致使后到

的洪水的穩定流比降變小。由Q=Qc，可知同水位穩定流流量比前一次洪水時小，因此，復式繩套的后一繩套相對于前一個繩套位置偏左方，如圖1-3所示。

由于連續洪水的后一次洪水除受洪水漲落影響外，還受河槽量對測流斷面的比降產生影響。因此，有時對洪水漲落影響的連續洪水分析時作為對洪水漲落與變動回水的混合影響。

4、結語

水文測站受洪水漲落影響的水位流量關系呈非穩定關系，同水位下可以有相應兩個以上的流量，這樣的水位流量關系稱為不穩定的水位流量關系。受洪水漲落影響的測站，洪水時，由于洪水波產生附加比降的影響，洪水過程的流速與同水位下穩定流時的流速相比，漲水流速增大，流量也增大，落水時則相反。在一次洪水過程中，水位面積關系點子分布為帶狀，水位流量、水位流速關系點子的分布相應，漲水點偏右，落水點偏左，峰、谷點居中。若依時序連接各點，則形成以峰、谷點連線為軸線的逆時針繩套曲線。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，連續的洪峰形成復式繩套，后到的洪峰繩套由于受河谷雍水影響略向左偏。

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作者簡介：趙愛國（1974—）男工程師，本科，主要從事水文水資源勘測與分析方面的工作。