落差指數法在金安橋水文站的應用

【摘要】金沙江金安橋水文站位于金沙江流域上游，流域面積239853平方公里 ，測流斷面基本穩定，但受變動回水頂托和洪水漲落率的綜合影響， 水位～ 流量關系較為復雜， 給測站的流量測驗和內業整編以及水情預報工作增加了很大的難度，用傳統的天然水位與實測流量值建立關系推流整編已不能很好的控制和反應其真實的徑流過程。該文結合本站的實測資料，選取下游電站壩上水位作為參證站，用落差指數法對其進行單值化處理， 經一系列推導計算確定推流方程式， 編程對其參數進行優化計算， 利用建立的Z-q關系線可快速反推流量，并且與實測流量比較發現，精度較高，為金安橋的水文資料自動化整編提供新的途徑，對今后金安橋站的測驗以及報汛工作有著重要意義，可在廣大基層水文單位推廣使用。

【關鍵詞】水位 流量關系；落差；單值化

1.水文站基本概況

金安橋水文站基本斷面上游約500m，有金沙江大橋。上游約2.5km，有金安橋電站。距基本斷面上游750m處有一山溪性小河，由左岸匯入名五郎河。基本斷面下游約500m河道向右彎曲。測驗河段順直，無漫灘、無岔流、串溝水流平穩，下游約38km是龍開口電站。隨著金安橋下游龍開口電站的建成投產，該站受到電站蓄放水和上游來水影響，使得斷面水位流量關系愈加復雜，增加了金安橋站水位流量定線的難度。

2.影響金安橋站水沙特性的主要因素

2.1上游電站放水影響

上游金安橋水庫正常蓄水位為1418m，是“西電東送”戰略目標的骨干電站之一。金安橋電站蓄放水頻繁，據2014年金安橋水電站開關閘部分數據統計，當來水量較小時每日至少一個時段開關閘，當來水量較大時每日開關閘次數較多，最多一日開關閘6次。由于金安橋水電站開關閘影響，水位變化頻繁急劇無規律，流量變化難以控制。

2.2下游電站蓄水影響

下游華能龍開口水電站位于云南省大理州鶴慶縣龍開口鎮境內，是金沙江中游河段水電規劃“一庫八級”開發的第六級電站。上接金安橋水電站，下鄰魯地拉水電站。以發電為主，兼有防洪、灌溉、旅游等綜合利用功能。樞紐由碾壓混凝土重力壩、泄洪沖沙建筑物、右岸壩后式廠房、左右兩岸灌溉取水口等建筑物組成。水庫正常蓄水位1298米，總庫容5.07億立方米，電站裝機容量1800MW。汛期雨量多，強度大。多年平均氣溫19.8℃，多年平均降雨量1000mm左右。下游龍開口電站蓄水時，金安橋站水位流量關系受變動回水影響，同水位下金安橋站流量變小。

3.金安橋站水位流量關系

金安橋站在上下游電站未運行之前屬于天然河道，水位流量關系平穩，至2013年電站運行以后，金安橋站作為金沙江的重要控制站，由于受上游金安橋電站和下游龍開口電站共同影響，水位流量關系紊亂，如下圖（2），流量點子非常雜亂，走勢無規律，由于水位流量關系變化無規律，測次控制不易布置，采用臨時曲線法定線多處曲線轉折點處無實測流量控制，峰頂峰谷定線任意性較大。

4 金安橋落差推流原理分析

4.1 落差法適用條件

落差指數法適用于水位-流量關系（Z-Q） 受變動回水頂托、洪水漲落影響或洪水漲落與回水頂托共同影響的單值化處理； 與常規采用的等落差法、定落差法、校正因素法、抵償河長法、連時序法（繩套曲線法） 等相比， 不僅簡化了整編的工作量， 而且能達到定線推流的精度要求。

4.2 參證站選擇

金安橋站位于金安橋電站壩下游和龍開口電站壩上游，距離金安橋電站大壩約2.5km，中間無其他測站參考。因此選擇龍開口壩上水位作為計算落差的參證水位。現已有2014年和2015年金安橋站全年實測流量資料和龍開口壩上的水位資料，根據分析可以利用落差法來推求金安橋站的流量。

4.3 基本原理

落差指數法的基本公式如下：

（1）.假設同一水位不同落差的流量符合下式：

Q1/（?Z1β）= Q2/（?Z2β）=q

式中Q1、Q1 ―相同水位下不同落差的流量，m3/s；

?Z1、?Z2―與Q1、Q2相應的落差，m；

β―落差指數

q―流量與落差β次方之比（或稱校正流量因數）

（2）.優選落差指數β值：β值的變化范圍為0.2～0.8，這個范圍之間可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、反曲檢查而且不確定度最小時的β為最佳β值。

（3）.確定水位與校正因數關系曲線：根據選出的最優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。

（4）.通過本站水位與落差參證站的水位計算相應的落差?Z，用本站水位推得q值，利用優選的β值按照公式Q/（?Zβ）=q反推流量。

5、落差指數法分析

5.1 分析步驟

落差指數法通過試算， 根據標準差最小的原則優選落差指數β 值， 具體步驟如下：

1） 根據已有的實測流量成果表， 按測次先后點繪出水Z～Q關系曲線， 并點繪出相應落差值；

2） 在點繪出的水位-流量關系曲線上， 按水位變幅找出各級相同相近水位的實測最大和實測最小流量及相應的落差值；

3） 對其公式Q1/（△Z1） β=Q2/（△Z2） （β 兩邊取常用對數）， 可得β 值的計算公式：β= （lgQmax-lgQmin） /（lg△Zmax -lg△Zmin）

試中： Qmax、Qmin、△Zmax、△Zmin 分別為各級相同或相近水位的實測最大和實測最小流量及相應的落差值；

4） β 值的優選和確定Z-q 關系曲線。①通過β 值的計算公式， 可求出同級水位或相近水位β 值， 得出不同組合的β 值， 取其算術平均數β=Σβi/n 作為β 優選時的初始參考值， 賦予β 值各不相同的步長，確定n 個β 待選值， 分別算出本年度內各次實測流量， 對應校正流量因素q=Q/（△Z） β； ②點繪相應實測流量測次所對應的相應水位與校正流量因素關系曲線（Z-q 關系曲線）， 相應的每一個β 值各自對應一條Z-q 線， 選擇其中一條點子相對密集，且符合單一曲線法定線精度要求， 通過適線檢驗、符號檢驗、反曲檢驗， 并且不確定度為最小的一條Z-q 線作為最后通過落差指數法校正后的最優Z-q 線， 得出的β 值即為最優值。

5） 推流。根據落差參證站水位變化過程計算的落差△Z 和優選的β 值，用本站水位推得q 值，與相應的（△Z） β 值的乘積，即為推求的流量Q。

6）由于金安橋站不適合固定的指數，故而采用了根據落差的不同，采用不同的指數，形成了落差指數關系。

5.2下列為金安橋水文站2014年落差指數法流量成果：

5.3落差指數法的應用

作為水位、流量關系曲線單值化處理的落差指數法， 指數能確定地反映兩種因素影響下的水力特性。計算2014 年各測次的Qc 與曲線上查得的Q′c 的相對誤差， 在共62個點子中，小于12 %的有62 個，合格率100%；小于6%的有49個， 合格率達到79.0 %；2015年各測次的Qc 與曲線上查得的Q′c 的相對誤差， 在共44個點子中，12%以上的只有一個，小于12 %的有43個，合格率97.7%；小于6%的有35個， 合格率達到79.5 %，誤差控制滿足有關《規范》要求。

因此，落差指數法可用于類似于金安橋水文站受洪水漲落和變動回水影響， 以及兩種因素影響的水位、流量關系的校正計算。具有較好的適用性。用落差指數法校正流量，β 值的作用不可忽視，以往選用β 值都是定值。目前，除了固定指數之外， 還可以用分段固定指數及變動指數。同時與綜合落差法配套使用， 增強了它的適用性。由于西部的開發，金沙江上的梯級電站越來越多，受電站影響的水文站的水位流量關系也逐步增加，因此，落差指數法會得到進一步的推廣和應用。

6. 結語

本文針對金安橋水文站在河床基本穩定的前提下， 受上下游電站蓄放水及洪水漲落混合影響的水位流量關系，應用金安橋水文站2014 年和2015年實測資料， 通過下游電站壩下水位跟本站水位建立落差關系，利用落差指數法對其水位～ 流量關系進行單值化處理， 率定出落差指數關系。用落差指數法不僅有理論根據，用分段固定指數及變動指數，β 值使用合理，定線的各項要素都符合推流的技術要求。落差指數法為提高金安橋水文站定線、推流效率提供了技術支持， 也為水文資料的自動化整編提供新途徑。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利行業標準 水文資料整編規范（SL 247-2012） 北京：中國水利水電出版社發行

作者簡介：

梅同單（1985.10.08）男，工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報工作

李丹（1984.06.19）女，工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報工作

石永恩（1986.03.29）男，助理工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報工作

劉明（1988.03.08）男，助理工程師，長江上游水文勘測局攀枝花水文分局，從事水文水資源測報工作