基于葛洲壩出庫流量的宜昌站流量整編方法

胡焰鵬 胡名匯 樊云

摘要：因受水利工程影響，工程附近上下游的水文站水位-流量關系散亂，導致流量整編較為困難，且實際中對大型水利工程多樣泄流建筑物逐一進行流量系數率定的可能性低。通過綜合評估葛洲壩出庫流量精度，建立葛洲壩出庫流量與其下游6 km宜昌水文站實測流量間的流量系數相關關系，從而推算宜昌水文站流量過程。分析其與宜昌水文站現有整編成果之間的誤差，優選方案實現宜昌水文站流量整編，流量整編精度滿足SL 247-2012《水文資料整編規范》要求。該方法對受水利工程影響下的水文站流量整編具有借鑒意義。

關鍵詞：流量整編;流量系數;水利工程影響;宜昌水文站

宜昌水文站始建于1877年4月，為基本水文資料收集、長江中下游防汛抗旱、水資源管理和葛洲壩及三峽水利樞紐工程建設和運行服務，是控制長江中游干流基本水情的基本水文站。宜昌站測站控制總體屬長河槽控制，水位流量關系主要以繩套線性和綜合單一線性為主。河段上游相繼建成了葛洲壩和三峽水利樞紐工程，受兩個工程聯合調度影響，上游泥沙補給大幅減少，近壩下游河段沖刷下切，水位-流量關系線線型基本不變，但同流量下中枯水位下降，枯水期呈綜合單一線，豐水期呈現繩套狀[1-2]。目前沿用連時序法、臨時曲線法進行流量整編，多年整編的年徑流量與上下游水文站比對存在差異，但精度基本滿足SL 247-2012《水文資料整編規范》（以下簡稱《規范》）要求。

總體上，三峽水庫調度呈現為年調度特征，葛洲壩水庫調度呈典型日調節。有限的流量測次對有效控制葛洲壩水庫日調節帶來的每一水位-流量變化過程而言，難度太大，即流量觀測時機把握不好[3]，可能影響年水位-流量關系線定線精度。宜昌水文站位于葛洲壩水利樞紐下游約6 km，河段基本順直，其間沒有支流入匯，也沒有區間分流。理論上，宜昌水文站流量與葛洲壩出庫流量應該一致或具有密切相關性，可確認葛洲壩出庫流量精度，再利用其進行宜昌水文站流量整編。

1 相關關系推求

探討受水工程影響水文站的流量整編方法，可通過建立水工程出庫流量與水文站實測流量的相關系數來進行[4-5]。分析宜昌水文站2010～2018年實測流量與同期葛洲壩出庫流量間相關關系的適應性與精度，以確定由葛洲壩出庫流量推算宜昌水文站流量過程的相關系數，探討基于葛洲壩出庫流量過程推算宜昌水文站整編流量的方法與精度。

1.1 宜昌水文站實測流量

2010～2018年宜昌水文站共施測流量708次。各年流量施測次數，2015年最少（57次），2017年最多（98次）。其中，實測最大流量為46 800 m3/s（相應水位52.67 m），最小流量為5 310 m3/s（相應水位39.36 m）。

測驗方法有ADCP走航式、流速儀11/22、流速儀10/20或流速儀24/120等。渡河方式為船測、吊船纜道。

1.2 葛洲壩出庫流量

葛洲壩水利樞紐主要泄流設施由發電機組、二江泄水閘、大江泄洪沖沙閘和三江沖沙閘組成。大江電站裝機14臺，二江電站裝機8臺（含0號機組），電站裝機容量為2 735 MW。自2005年起，葛洲壩電站單機額定容量125 MW的機組（19臺）逐步實施更新改造增容至單機額定容量150 MW，改造全部完成后，電站總裝機容量為3 210 MW。

根據葛洲壩水利樞紐運行調度情況，查算相應的樞紐設計泄流曲線資料，按時段計算葛洲壩總的出、入庫流量，時段間隔一般為2 h，即每天計算12次葛洲壩出、入庫流量。

出庫流量=全廠發電流量+機組空轉過流量+大江沖沙閘泄流量+三江沖沙閘泄流量+二江泄水閘泄流量+大江排沙底孔泄流量 +大江排沙洞泄流量+大江排漂孔泄流量+二江排沙底孔泄流量 +小機組發電流量。

受主客觀條件限制，按SL 537-2011《水工建筑物與堰槽測流規范》要求，難以全面實現對葛洲壩組成部分逐個率定流量系數，流量系數只能針對葛洲壩總出庫流量綜合率定。根據長江水利委員會水文局2016～2017年開展的葛洲壩泄流曲線現場率定試驗結果[6]，其相對誤差在-5.8%～8.6%之間，平均相對誤差2.2%（查算泄流曲線偏大），關系線系統誤差為2.0%，隨機不確定度為7.3%，滿足相關規范規定的精度要求。

1.3 流量系數相關關系

根據水量平衡原理：

根據宜昌水文站每次流量測驗的平均時間，分別采用了直線內插法、一元三點插值法、樣條插值法。從葛洲壩出庫流量過程（每天12次）插補出對應時間的出庫流量數據，與宜昌水文站實測流量建立相關關系，包括綜合相關線、當年測點相關線。再優選定線參數，使其滿足《規范》規定的定線3種檢驗指標。

（1）多年綜合關系線。采用直線內插法、一元三點插值法、樣條插值法率定，適線檢驗、符號檢驗和偏離數值檢驗3種方式的定線檢驗及誤差統計結果均滿足要求。直線內插法率定關系見圖1。

（2）當年測點相關線。分別采用直線內插法、一元三點插值法推求各年的率定關系，并進行誤差統計，采用直線內插法的統計結果見表1。

（3）定線結果。在以上計算結果中，不論是多年綜合線，還是當年測點定線，適線檢驗、符號檢驗和偏離數值檢驗3種方式的定線檢驗結果均合格，滿足規范要求[7]。

從數據分析可知：各種定線的系統誤差都滿足±2%范圍要求[7-8];除2017年當年線（一元三點插值法）的標準差大于5%外，其他各種方法均滿足隨機不確定度小于10%（標準差小于5%）的要求。

2 流量整編

流量整編計算采用水文資料整編系統SHDP（2.0版）。根據已建立的流量系數相關關系，由葛洲壩出庫流量過程推算出宜昌水文站流量過程，采用連實測流量過程線法，整編宜昌水文站流量，推求宜昌水文站逐日流量、各種徑流特征值等成果，與宜昌水文站原有流量整編方法推算的成果進行比較，統計、分析誤差等。

水流沙原始數據文件借用宜昌水文站各年的原有數據，只是將數據文件中各年的流量整編方法、推流節點，由原有的一元三點插值法、水位流量節點數據，分別替換為對應的連實測流量過程線法、時間流量節點數據，再分別進行水流沙整編計算，生成不同整編方法的流量整編成果，最后統計誤差情況。

在分析中采用了6種流量過程推算方法進行試整編，詳見表2。

（1）年徑流量。分別采用不同流量整編方法推算各年的年徑流量，與宜昌水文站原有流量整編數據的相對誤差比較情況見圖2。

圖2表明，只有直接采用葛洲壩出庫流量方法的推算結果存在年徑流量誤差超過±3%的情況，其他方法都滿足誤差在±3%范圍的要求[7]，可作為流量整編方法使用。

（2）部分年特征值。在各年數據中，選年徑流量較小、居中、較大的2011年、2015年、2018年數據推算年最大流量、時段洪量，其與宜昌水文站原有流量整編數據的比較情況見表3。部分年份直接采用葛洲壩出庫流量整編成果的特征值與宜昌站連時序流量整編的特征值超限。

綜合上述分析，與宜昌站連時序流量整編成果比對，除部分年份直接采用葛洲壩出庫流量的整編成果不滿足流量規范要求外，其余整編成果均滿足相關規范要求。其中，利用當年-直線相關數量系數法整編的流量最佳。

3 結 論

（1）建立葛洲壩出庫流量與宜昌水文站實測流量的各種組合流量系數相關關系，均滿足《規范》[7]規定的適線檢驗、符號檢驗和偏離數值檢驗3種定線檢驗指標;各種組合的定線系統誤差、隨機不確定度基本都滿足《規范》[7]《水工建筑物與堰槽測流規范》[8]規定的一類精度水文站定線精度要求。

（2）由葛洲壩出庫流量過程推算宜昌水文站流量過程，分別采用連實測流量過程線法定線推流，推算的年徑流量與宜昌水文站原流量整編方案的相對誤差在±3%范圍內，滿足《規范》[7]要求，可作為流量整編方法使用。采用當年線-直線內插法的方法作為宜昌水文站流量整編方案更優。考慮以最少的測驗成本獲得滿足規范要求的整編成果，優先采用綜合線、直線內插法流量系數方案，每年只需校測部分測次，進行學生氏t檢驗，滿足要求即可繼續采用綜合線進行流量整編。建立的葛洲壩出庫流量與宜昌水文站實測流量的流量系數相關關系也可用作流量測驗、流量報汛、流量過程分析合理性檢查。

參考文獻：

[1] 李帆，夏自強，王躍奎.? 葛洲壩水利樞紐工程對宜昌河段水文水力特性的影響[J].? 河海大學學報（自然科學版），2010，38（1）： 36-40.

[2] 伍勇，柳鑫，龍飛，等.? 三峽工程蓄水后宜昌站水流特性變化及測驗措施[J].? 長江科學院院報，2017，34（5）： 22-26.

[3] 曾雅立，樊麗娜，王寶成，等.? 三峽水庫-葛洲壩水庫調度影響下宜昌站流量測驗時機分析研究[J].? 水利水電快報，2019，40（2）：39-42.

[4] 高士欣，黃新平，劉麗莉.? 基于水布埡水庫運行資料的流量推求分析[J].? 人民長江，2014，45（S2）：33-34.

[5] 田蘇茂，劉天成，劉揚，等.? 三峽水庫下泄流量在廟河站流量資料整編中的應用研究[J].? 水利水電快報，2019，40（2）：6-9.

[6] 閆金波，李秋平.? 三峽、葛洲壩出庫流量率定報告[R].? 武漢：長江水利委員會水文局，2018.

[7] SL 247-2012 水文資料整編規范[S].

[8] SL 537-2011 水工建筑物與堰槽測流規范[S].

（編輯：唐湘茜）