落差指數(shù)法軟在線技術(shù)在臨淮崗站應(yīng)用的可行性分析

馬占國

一、引言

水位流量關(guān)系不穩(wěn)定，不能建立單一的水位流量關(guān)系線，為了滿足河道對徑流量計(jì)算需要，必須用大量的實(shí)測流量進(jìn)行流量過程控制，既增加了測流工作量，也影響了水文測報(bào)服務(wù)于防汛、抗旱工作的效率。因此，需要根據(jù)測驗(yàn)河段的河流特性，探尋能夠使斷面流量關(guān)系單一的相關(guān)因素，建立流量的單值化曲線。本文探討落差指數(shù)法軟在線技術(shù)，在臨淮崗站應(yīng)用的可行性。

二、臨淮崗站概況

臨淮崗站位于安徽省霍邱縣臨淮崗鄉(xiāng)臨閘村，2005年1月設(shè)站，流域面積為40410km2，是淮河干流中游3000～5000km2以上大河控制站。該站斷面控制良好，測驗(yàn)河段順直，泥沙河床，左右岸均為漿砌石護(hù)坡，上游390m 處為臨淮崗樞紐控制工程。該控制工程有12 孔深孔閘，測驗(yàn)斷面左側(cè)為49 孔淺孔閘，右側(cè)為淮河船閘和沿崗河船閘；中高水?dāng)嗝鎸捈s2km，中低水時(shí)開啟深孔閘，中高水時(shí)深、淺孔閘閘門全開。汛期受下游潁河、淠河洪水頂托，回水影響較為嚴(yán)重。閘下水位流量關(guān)系主要受閘門啟閉因素及上、下游水位影響，大部分時(shí)間流態(tài)為淹沒式孔流，中高水時(shí)發(fā)生淹沒式堰流。

三、資料的選取

（一）實(shí)測資料情況

2020年淮河發(fā)生特大洪水，這是臨淮崗站自建站以來發(fā)生的最大洪水，選取本年度洪水期實(shí)測水位、流量資料，進(jìn)行單值化分析，具有較高的代表性。據(jù)此，選取2020年6—8月的實(shí)測流量（85 次）及相應(yīng)的水位資料，探討實(shí)施落差指數(shù)法定線的可行性；同時(shí)選擇本站2021年7—9月的67 次實(shí)測流量成果，對構(gòu)建的落差指數(shù)關(guān)系曲線進(jìn)行驗(yàn)證性分析；選取潤河集站基本水位斷面作為輔助水尺斷面，據(jù)以推求河段的相應(yīng)落差△Z。

（二）臨淮崗站的水位流量關(guān)系

由于臨淮崗站受到下游潁河、淠河洪水頂托形成的回水影響較為嚴(yán)重；同時(shí)還受到臨淮崗樞紐控制工程閘門啟閉等因素的影響，致使該站的水位流量關(guān)系散亂，無法形成單一的水位流量關(guān)系。

四、臨淮崗站實(shí)施落差指數(shù)法分析

（一）輔助水尺斷面的選擇

潤河集站位于安徽省霍邱縣王截流鄉(xiāng)陳郢村，測站斷面控制良好，測驗(yàn)河段順直，泥沙河床，下游與臨淮崗站相距約28km，受臨淮崗樞紐控制工程閘門啟閉產(chǎn)生的變動回水影響明顯。兩站水位的相關(guān)性較好。因此選擇潤河集站基本水尺斷面，作為臨淮崗站落差指數(shù)法定線的輔助站具有可行性。

（二）臨淮崗站落差指數(shù)關(guān)系的建立

首先假定同水位不同落差的流量符合式：

式中：

Q1、Q2—同水位不同落差的流量，m3/s；

△Z1、△Z2—為Q1、Q2時(shí)的相應(yīng)落差，m；

β—落差指數(shù)；

q—流量與落差β 次方之比（也稱校正因數(shù)）。

其次，優(yōu)選落差指數(shù)β 值，其變化范圍為0.2～0.8，在此區(qū)間采取優(yōu)選法，定出Z～q 關(guān)系曲線，通過適線檢驗(yàn)、符號檢驗(yàn)及反曲檢查，選擇不確定度最小值β 作為最優(yōu)落差指數(shù)。

其三，根據(jù)優(yōu)選的β 值擬定Z～q 關(guān)系曲線，按單一線精度進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)通過三項(xiàng)檢驗(yàn)后，即可作為推求流量的曲線。

其四，根據(jù)潤河集站的水位，計(jì)算落差值（△Z）及優(yōu)選的β 值，用臨淮崗站水位推求q 值與△Zβ的乘積見式（1），即為推求的流量，如圖1。

圖1 臨淮崗站落差指數(shù)關(guān)系曲線圖（△Z：潤河集-臨下n=0.5）

（三）臨淮崗站Z～q 關(guān)系曲線分析

根據(jù)水利部《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2015）及《安徽省水文資料整編補(bǔ)充規(guī)定》（2015年），水位流量資料定線的規(guī)定:“受變動回水影響，但是，河段順直，河槽基本穩(wěn)定，落差具有代表性的河流斷面，可進(jìn)行落差指數(shù)法定線推流。”

本次參與定線的實(shí)測流量有85 次，其中有3 個(gè)高水測點(diǎn)和3 個(gè)中低水測點(diǎn)偏離超過10%，出現(xiàn)的時(shí)間為2020年的6月25—28日淺孔閘全部關(guān)閉時(shí)期，以及7月20—23日姜唐湖蓄洪期。由于臨淮崗樞紐控制工程淺孔閘全關(guān)，姜唐湖蓄洪，都會造成潤河集與臨淮崗站落差關(guān)系短時(shí)間的急劇改變，從而影響落差指數(shù)關(guān)系線推求流量的準(zhǔn)確性。隨著水流狀態(tài)的穩(wěn)定，落差關(guān)系會很快得到修復(fù)，工情變化及姜唐湖蓄洪對落差指數(shù)關(guān)系影響是有限的。通過對Z～q 關(guān)系線突出點(diǎn)的分析，消除了不穩(wěn)定狀態(tài)的影響。從三項(xiàng)檢驗(yàn)成果得到，選擇潤河集基本水尺斷面作為輔助斷面，建立的臨淮崗站落差指數(shù)關(guān)系是可靠的，能夠滿足正常年份及排除淺孔閘全部關(guān)閉時(shí)期的在線推流需要，見表1。

表1 三項(xiàng)檢驗(yàn)成果表

（四）臨淮崗站軟在線流量成果的誤差分析

為了直觀地說明臨淮崗站落差指數(shù)關(guān)系的可靠性，繪制了臨淮崗站軟在線流量與實(shí)測流量成果的誤差分布圖，如圖2。從圖中可知，除了臨淮崗樞紐控制工程淺孔閘關(guān)閉及姜唐湖蓄洪時(shí)期，出現(xiàn)軟在線流量與實(shí)測流量對比誤差超過10%以外，其他點(diǎn)群密集成帶狀分布，誤差均小于±10%，經(jīng)過計(jì)算得到隨機(jī)不確定度為7.38%，小于《水文資料整編規(guī)范》對一類精度水文站采用水力因素法定線精度10%標(biāo)準(zhǔn)。因此用落差指數(shù)法構(gòu)建臨淮崗站流量軟在線平臺，在技術(shù)上是可行的。基于此，可以實(shí)現(xiàn)對臨淮崗站斷面流量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確體現(xiàn)。

圖2 臨淮崗軟在線成果誤差分布圖

五、臨淮崗站實(shí)現(xiàn)流量軟在線的可行性分析

經(jīng)過對臨淮崗測站特性的分析，建立以潤河集基本水尺斷面為輔助斷面的落差指數(shù)單值化關(guān)系曲線，需要經(jīng)過實(shí)踐的檢驗(yàn)。為了驗(yàn)證該落差指數(shù)關(guān)系的可靠性，將臨淮崗站2021年汛期的實(shí)測流量與軟在線流量成果進(jìn)行對比，如圖3。從擬合的軟在線流量與實(shí)測流量過程線可以看到，實(shí)測流量過程線與軟在線流量過程線吻合度極高，而且流量過程與水位變化趨勢保持一致，進(jìn)一步說明軟在線流量可以實(shí)現(xiàn)對斷面實(shí)時(shí)流量過程的準(zhǔn)確反應(yīng)。

圖3 2021年臨淮崗站實(shí)測流量與軟在線成果對比圖（△Z：潤-臨下n=0.5）

六、結(jié)語

經(jīng)過對臨淮崗站河流特性的分析，選擇潤河集站基本水尺斷面作為輔助斷面，率定了落差指數(shù)關(guān)系曲線，經(jīng)過檢驗(yàn)，符合規(guī)范要求；用軟在線流量與實(shí)測流量的對比結(jié)果，驗(yàn)證了以落差指數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)的軟在線流量，可以準(zhǔn)確反應(yīng)臨淮崗站的流量變化，因此，在臨淮崗站實(shí)施落差指數(shù)法軟在線，在技術(shù)上是可行的■