單一水位流量關系曲線高水延長方法分析

2017-07-24 17:40:14馬經安

水利水電快報 2017年6期

馬經安

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北荊州 434000)

單一水位流量關系曲線高水延長方法分析

馬經安

(長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北荊州 434000)

介紹了單一水位流量關系曲線高水延長的常用方法。以某水文站實測資料為例，對在執行《水文資料整編規范》中如何合理進行高水延長進行分析。實際應用表明，史蒂文斯法適用于河段順直、斷面穩定的測站，其計算方法簡單實用，延長成果精度較高，可作為優選方案。一般應采用兩種及以上方案分別延長，并對成果進行對比分析，再根據測站實際情況選用延長成果。

水位流量關系曲線；高水延長；水文監測；史蒂文斯法

1 研究背景

高洪水時期，天然河道的流量測驗經常受測驗設施和時效性的限制，難以完全測到整個高洪流量過程，這種現象在中小河流和山區型河流中尤為明顯。這就需要對水位流量關系進行高水延長，其結果對洪水期流量過程的主要部分，包括洪峰流量在內都有重大影響，甚至影響規劃設計時洪峰流量頻率的計算。因此必須對選用的高水延長方法和其成果精度進行分析，為水位流量關系曲線的延長提供技術支撐。

2 高水延長的主要方法

常用的水位流量關系曲線高水延長方法主要有水位面積、水位流速關系曲線法，水力學公式法，綜合單一線法和鄰近站相關法等。主要根據實測大斷面的沖淤變化程度來選用延長方案，當流量斷面沖淤變化程度較小時，可采用水位面積、水位流速關系曲線法和水力學公式法，如果水位流量曲線多年來較穩定，可采用綜合單一線法進行趨勢延長。若斷面沖淤變化急劇，在高水位時無法借用洪峰前后的大斷面資料，可采用鄰近站相關法。實際整編中需要高水延長的水位流量關系曲線都為單一線型，因此本文對幾種常用高水延長方法的分析比較均基于單一水位流量關系曲線。

2.1 水位面積、水位流速關系曲線法

控制良好的測流斷面，一般斷面沖淤變化較小，各級水位下的水位面積、水位流速關系曲線的實測點密集成帶狀，曲線趨勢符合水文規律，無明顯系統偏離，宜選用水位面積、水位流速關系線法進行高水延長。

根據高水時期的實測大斷面資料，計算并點繪水位-面積關系曲線，根據實測流量資料點繪水位-流速關系曲線，高水的水位流速曲線常趨近于與縱軸接近平行的直線，根據此特性，可順實測的水位流速關系曲線趨勢向上延長，查讀出延長部分各級水位相對應的面積和流速，計算出相應流量，據此便可確定延長部分的水位流量關系曲線。

2.2 水力學公式法

2.2.1 曼寧公式法

(1)

式中,Q為流量，m3/s； n為河床糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降；A為斷面面積，m2。

2.2.2 史蒂文斯法

采用謝才公式：

(2)

(3)

2.3 綜合單一線法

如果河槽控制和斷面控制良好，河底坡降均勻，河床沖於變化較小，基本水尺位置固定，其多年的水位流量、面積、流速關系曲線呈單一線且無突變，可綜合歷年Z～Q關系曲線作高水延長。延長時將歷年和本年的實測高水資料合繪在一起，按歷年曲線趨勢并參照本年的斷面沖淤、流速和比降變化情況定綜合線進行趨勢延長[1]。

3 高水延長實例

3.1 測站情況

現以某站2012年實測流量資料為例，進行高水延長計算分析。該站為工程專用站，所屬河流為典型的山區型河流，測流斷面控制較好，河床沖於變化小、斷面穩定，其水位流量關系曲線為單一線型。當年洪峰為設站以來最大洪峰，實測最小流量為48.5m3/s，相應水位為1 518.27m，實測最大流量為1 080m3/s，相應水位為1 521.69m，最高水位為1 522.87m，高水部分延長超過了當年實測流量所占水位年變幅的30%，依據《水文資料整編規范》的要求，需至少采用兩種方法作高水延長，并進行比較分析。因該站無比降和糙率資料，且設站年限較短，歷史資料中無實測高水資料，水力學公式法中的曼寧公式法為順趨勢延長，具有一定的任意性，而史蒂文斯法為沿直線延長，成果精度較高，因此分別采用水位面積、流速關系曲線法和史蒂文斯法進行高水延長。

3.2 水位面積、水位流速關系曲線法

過水斷面面積采用當年實測大斷面測量成果計算，最高水位1 522.87 m，相應的斷面面積為397 m2，平均水深為 5.2 m。

斷面平均流速采用水位流速關系曲線(圖1)趨勢延長，水位1 522.87 m時查得平均流速為4.37 m/s，由方程Q=VA計算得流量為1 730 m3/s。