德州H水文站水位流量關系構建問題探討

張兆強，熊 輝

（德州市水文中心,山東 德州 253033）

0 引言

流量是體現流域水資源量利用程度的基本水文要素之一,也是進行流域洪水預報的基礎性因子,所預報的水位通常根據水位流量關系進行反向推求。當前,山東德州H水文站主要采用儀器施測點建立繩套水位流量關系曲線或應用固定水平式ADCP進行水位流量關系實時在線監測,但是在具體應用中,其實時在線測流成果存在較大誤差,流量值也經常發生突變。而采用儀器施測點所構建的繩套水位流量關系曲線因同水位對應多個流量值而極易造成應用誤差,還無法進行實時修正與換線,所產生的流量誤差較大。為此,本文以山東德州H水文站2015 年、2016年和2018年20 m以上高水走航式ADCP施測流量成果為基礎數據,按照水位進行分級,并以德州H水文站現時水位,該水文站與其輔助水文站水位落差及該站前2 h水位漲落率均值等為參數進行了該水文站水位流量關系的構建,以便根據實時水位監測信息獲取流量成果。

1 水文站概況

山東衛運河全長2041 km,河道坡降均值為0.56%,流域面積331520 km2,該流域最大的H水文站是衛運河流域重要的控制站,其自1973年建站以來幾經遷移,在此后運行的過程中,洪峰流量在500 m3/s以上的年份很少,大多數年份斷面均處于小流量情況,該測站屬于所在流域防汛專用站。該水文站水文監測項目主要包括水位、流量、降水、蒸發、含沙量、水文、水質等。當前該站主要采用水平固定式ADCP及走航式ADCP測驗設施,主要通過浮子式水位計進行水位監測,實時在線測流成果普遍存在較大的不確定性及嚴重的瞬時突變。根據對該水文站2019年2月~3月水位流量過程的分析可以看出,洪水漲落對其水位流量關系影響較大,流量增減過程十分顯著；漲水時水位流量關系點子偏右,而落水時水位流量關系點子偏左,峰谷水位流量關系點子居中,按照時間次序將各點子連接后發現,其主要表現為以峰谷為軸線的逆時針繩套曲線：單峰為單套,疊加峰為復式套［1］。以該水文站上游相距7.4 km的K水位監測站為本文分析的輔助參證站。

2 水文站流量測驗成果分析

2.1 樣本資料

選擇德州H水文站2015年、2016年和2018 年20 m以上高水走航式ADCP施測流量成果,共包括225 份流量施測成果樣本。依據樣本資料構建包括該水文站水位、水位差、水位漲落率等參數在內的水位~流量關系曲線,具體如下：

式中：Z t為德州H水文站現時水位,m；ΔZ為德州H水文站與其輔助水文站水位落差,m；ΔZ漲為德州H水文站前2 h水位漲落率均值,%。

2.2 水位級差分析

根據德州H水文站大斷面示意圖（圖1）中存在的起點距突變點,將水位級劃分為以下幾個階段：Z≤6.0 m,6.0 m＜Z≤7.5.0 m,7.5 m＜Z≤9.5 m,9.5 m＜Z≤11.5 m,11.5 m＜Z≤14.0 m,14.0 m＜Z≤16.0 m,Z＞16.0 m。

圖1 德州H水文站大斷面示意圖

3 水位~流量關系構建

3.1 樣本歸類

根據所進行的水位級劃分情況,可以將225 份流量施測成果樣本進行所屬水位級的歸類,其中Z≤6.0 m段包括25組樣本數據,6.0 m＜Z≤7.5.0 m段包括21組樣本數據,7.5 m＜Z≤9.5 m段包括50 組樣本數據,9.5 m＜Z≤11.5 m組包括58份樣本數據,11.5 m＜Z≤14.0 m組包括27份樣本數據,14.0 m＜Z≤16.0 m組包括20份樣本數據,Z＞16.0m段包括24 組樣本數據。為保證所構建的水位流量關系的代表性,各級樣本數據均應在20 組及以上,并采用Excel表格LINEST函數［2］進行各級樣本數據分析。LINEST函數主要應用最小二乘法進行相關數據線性擬合,同時對線性方程式及所涉及參數系數進行描述,以得出各組樣本數據的水位~流量回歸方程。結果如下：

針對以上所構建的不同水位級水位流量關系式,通過對225份實側流量樣本數據的驗算發現,水位流量關系式所測算的流量與實測流量相比,兩者誤差不超出5%的樣本有198組,占比為88%；誤差在5%~7%之間的樣本有17組,占比為7.56%；其余組誤差均在7%以上,占比為4.44%。不存在系統誤差,并滿足適線檢驗要求,表明本文所構建的德州H水文站水位~流量關系曲線精度較好。

3.2 水位~流量關系的校驗

2018年山東德州H水文站取得走航式ADCP測流數據95份,為方便進行水位~流量關系的校驗,先將測流數據按照實際水位由低向高排序,并結合本文所提出的水位等級劃分公式進行流量計算,計算結果具體見表1。

表1 2018年山東德州H水文站測流數據校驗

將表中計算流量成果校驗值和實測值進行比較可以得出,兩者誤差不超出5%的樣本有72組,占比75.79%；誤差在5%~7%之間的樣本共有14組,占比14.74%；剩余樣本誤差在7%以上,占比9.47%；最大點誤差9.94%,且無系統誤差,滿足適線檢驗相關要求,表明本文所構建的德州H水文站水位~流量關系切實可行。

3.3 實時流量推算

進行2020年7月1日0時~7月31日23時德州H水文站如何應用本文所提出的方法進行實時流量推算過程的分析：先計算德州H水文站和輔助水文站水位的落差,再計算德州H水文站水位漲落率,因水位漲落率屬于敏感性較強的參數,且通常通過浮子水位計進行采集,所獲取的水位數據可能因波浪等原因而出現偽漲落率情況,為消除波浪等因素對水位監測結果的不利影響,應計算前2 h的漲落率均值,再根據相應等級水位~流量關系公式進行流量推求。為消除鋸齒態［3］因素,保證水位~流量關系線平順圓滑,還應在不同水位級公式轉換處采用兩公式取值的均值。2020年7月1日0時~7月31日23時德州H水文站實時流量推算結果見圖2。

圖2 德州H水文站原報汛流量和實時流量推算結果

從所構建水位~流量關系應用于流量成果推算的實踐來看,推算結果比原報汛流量值更接近實測值,說明所構建的水位~流量關系曲線精度較高,也說明直接根據監測水位,通過水文學分析方法進行水位在線推流及實時報汛的做法切實可行,并能為儀器測流結果提供補充。應用本文所提出的水位~流量關系曲線時僅需進行一些選擇性校測,并略微修正參數系數,便能減少儀器測流次數,并能有效進行間測。

4 結論

綜上所述,常規的水位~流量關系曲線的構建通常基于儀器施測散點,這種做法很難保證水位流量關系實時在線,通過結點進行流量推算報汛的做法受到結點信息無法及時更換的影響較大。流量實時在線報送也主要以固定式水平ADCP測流成果為主,在諸多因素的影響下,效果也并不理想。本文所提出的通過水位分級法并主要選取實測水位、上下游水文站同水位落差、水位漲落率等參數進行水文站水位流量關系的構建方式在應用上還不夠成熟,但是從本文所進行的德州H水文站2018年實測對比及2020年7月1日0時~7月31日23時的推流校驗過程及結果來看,應用效果較好。本文所提出的水文站水位~流量關系曲線的構建方法對于上下游水位監測質量較高,且中間無跌水、無急流,觀測水文站和輔助水文站距離較近的測站較為適用。