水電站泄流控制影響的下游水文站流量自動監測新方法研究

于嵐嵐

(遼寧省省河庫管理服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

由于上游水電站泄流控制影響，其河道流量變化幅度較大，下游河道水文站測流頻次受上游水電站泄流變化影響較大，汛期測流頻次較大，而由于水文站測站采用人工傳統測流方式，隨著水電站泄流影響，其測流頻率勢必加大，水文測流任務也加重，對水文測流影響也較大。近些年來，對上游水電站泄流控制影響的水文測驗方式得到國內許多學者的研究[1- 5]，這其中主要采用兩種方式進行，第一種是結合H-ADCP[6]或者非接觸式雷達[7]進行斷面流量的自動監測，這種方式存在自動化程度快、測流時效性強的特點，但是由于這種測流方式主要基于斷面穩定情況下進行流量的反推，對于斷面沖淤變化大的河流，其適用性不高。第二種方式是建立斷面水位流量關系進行流量反推[8]，這種方式經濟且較為簡便，但是由于受到上游河道下泄流量影響，其水位流量關系較為紊亂，雖然可以進行單值化處理，但是其操作難度較大。當前，有學者結合水文、水動力學模型進行受人為影響的城市河道流量的自動監測[9- 10]，但在水電站泄流控制影響下的河道水文測驗中還未得到相關應用，為此本文結合水文、水動力模型(馬斯京根模型、DHI-MIKE模型)定量識別水利工程出水量與水文站實測流量關系，由水利工程出水量推求水文站流量，建立水利工程下游河段水文站流量自動監測新方法，成果為類似水文站測流新方法提供重要的參考價值。

1 研究方法

考慮到馬斯京根模型、DHI-MIKE模型在國內應用已經較為成熟，其模型原理可詳見參考文獻[11- 12]?？紤]到模型驗證指標十分重要，對各驗證指標的計算方法進行介紹。

本文分別采用相關系數指標、水量誤差指標、誤差合格率指標、函數一致性、均方誤差指標以及放水過程吻合系數指標對兩個模型的流量反推精度進行分析。

(1)相關系數R。R越接近1，表明模型模擬的流量越符合實際情況。本文選擇R>0.7作為模擬值與實測值相關水平的評定標準。

(1)

(2)徑流總量的相對誤差E(%)，當E<20%時，即為合格。

(2)

(3)合格率QR。當誤差合格率滿足測驗精度要求時認為合格率滿足要求。

(3)

(4)一致性指標d。d越接近1，表明模擬的流量越符合實際情況。

(4)

(5)均方根誤差RMSE，其數值越接近0，說明模型模擬的結果越好。

(5)

2 研究成果

2.1 區域及數據概況

本文以遼寧丹東地區某電站下游河道水文站為研究實例，該水文站距離上游電站15km，受到上游電站泄流控制影響，水文站流量呈現明顯的波動變化，采用傳統測流方式，其水文測驗任務無法完成，需要探討流量自動推求方法，實現流量的自動監測。為此本文結合該水文站1963—2018年實測的日徑流數據以及電站泄流控制數據，建立水電站出水量與水文站實測流量關系。

2.2 流量傳播時間的推求

結合灰色關聯模型，基于水文站流量數據系列，對河道流量傳播時間進行推求，灰色速率關聯值見表1。

表1 研究河段的灰色速率關聯度值

從表1中可看出，研究河段的灰色速率關聯度值都較大，這主要是因為河段上下游流量和水力比降具有較好的相關性，使得其傳播關聯速率值均較大。從各時間尺度下的灰色速度關聯值分析結果可看出，各月份下對應的日系列中的灰色速度關聯值均最大，因此，該河段水文站傳播的時間尺度為日尺度，可以進行日平均流量的反推計算。

2.3 馬斯京根模型模擬結果

在傳播時間確定的基礎上，采用馬斯京根對該河段下游流量進行演算，模型評定結果見表2，并建立水電站出流與流量的相關函數，函數表達式的精度評定結果見表3。

表2 馬斯京根日模型精度評定結果

表3 水電站出流與流量相關函數表達式精度評定結果

結合水電站泄流數據，建立泄流數據和水文站實測流量的相關關系，相關關系方程為y=0.8488x+1.7235。結合該相關關系，模擬得到不同時間尺度下水文站測驗斷面的日平均流量。從表2中可看出，馬斯京根模型模擬值和實測值之間的相關系數總體可0.8以上，各時間段下的徑流深誤差小于10%，模擬合格率也均在70%以上，模擬精度達到水文測驗的相關規范要求。從構建的函數表達式評定結果可看出，各函數表達式下的一致性指標都在1.0附近，均方根誤差趨近于0，因此可看出各表達式的精度評定值符合測驗標準。

2.4 MIKE模型模擬結果

采用MIKE模型分析其模擬的精度，考慮到糙率影響，分析不同糙率值變化下日徑流模擬精度，結果見表4，并建立該模型下水電站出流與流量的相關函數，函數表達式的精度評定結果見表5。

表4 不同糙率下影響下日流量模擬精度評定結果

表5 水電站出流與流量相關函數表達式精度評定結果

從表4中可看出，糙率對日平均流量模擬的影響較大，結合泄流數據和水文站實測流量的相關關系方程為y=0.8488x+1.7235，推求MIKE模型不同糙率下的日平均徑流模擬結果。從評定結果可看出，相關系數R以及一致性指標值均較高，其他評定指標也符合水文測驗的規范要求。通過對區域河道糙率的綜合分析，選定其綜合糙率值為0.029為斷面的最優糙率變化值。從表5中各函數表達式的可看出，MIKE模型下各函數表達式下模擬的相關系數均在0.8以上，徑流中的相對誤差控制在10%以內，各時間段模擬的合格率可以達到75%以上，精度均符合水文測驗的規范要求，其一致性指標趨近于1.0，均方誤差均在0.3以內，MIKE模型也可滿足其水文測驗流量的精度要求。

2.5 各模型模擬方案優選

為對各模型模擬方案進行優選，對不同模型時間段下的精度進行對比，模型模擬方案優選結果見表6。

表6 不同模型日平均流量模擬精度評定結果

從表6中可看出，各時間段下MIKE模型的總體合格率好于馬斯京根模型，這主要是因為MIKE模型可考慮河道糙率和斷面形態的綜合影響，而馬斯京根模型不能考慮河道糙率的影響，因此流量模擬精度要低于MIKE模型，特別是對于山區型河流，MIKE模型總體模擬精度要好于馬斯京根模型。但是MIKE模型由于需要的河道地形數據較多，因此在缺少道地形數據的區域其適用性不高，還需要選擇馬斯京根模型進行計算。

3 結論

(1)在河道地形數據較為全面的區域可綜合考慮糙率和河道斷面形態綜合影響的MIKE模型，用來演算受水電站泄流控制影響下的水文站流量自動監測，但在河道地形數據缺乏的區域具有一定的使用限制。

(2)由于只考慮了單一水電站泄流控制影響下水文站的流量推求，而未能考慮受到電站群影響下的流量自動監測，在以后的研究中還需要重點考慮電站群控制影響下的水文測驗方式研究。