超標洪水水位流量關系線擬定方法分析

◎李海露

一、引言

在眾多相關水文數據當中，河水流量是基本也是應用最為廣泛的數據類型，其具體數值主要通過河道中的水文控制斷面相對應的水位-流量關系線所計算得出。超標洪水水位流量關系線模型的成功擬定，將可以及時有效的發揮各地水文測站的作用，能夠在未來面對大規模超標暴雨洪水時，及時快速地測算出洪水水位的相關信息，為防洪工作提供重要的保障，有效避免出現洪水災害問題。

二、超標洪水水位流量關系分析

超標斷面洪水水位流量關系公式主要利用流量與某一斷面的水位建立而成的，表示被測水文站基本水尺斷面，經過該斷面的實測最大流量值與該斷面水位之間關系的公式。若所要求觀測區域的實際水位位置與實際測流點不相屬在同一個水文斷面，兩個水文斷面位置之間的距離比較近，中間若沒有其他河道分流點或有支流的匯入，則又可視為直接的在這其中建立的水位流量關系。在確定水位流量關系中，需要對流量進行實測并確定相應水位，由于河流處于不斷變化的狀態，因此在分析水位流量關系時其中的特征參數也會不斷發生變化，這最主要是由沖刷或淤積等情況導致的。除此之外，水生植物、冰蓋、砂石等也會一定程度上引起關系特征的變化。根據河床穩定性程度可以將水位流量關系分成穩定關系和不穩定關系。對于上述不同流量河段站而言，自然天氣因素變動和自然人為活動影響等情況都會共同影響到水位流量關系。

在穩定水位流量關系下，會呈現出一條近似于拋物線的單一曲線。對于該關系線的分析應先目測估算，在點群中心位置處擬定一條線，并能確保其中的檢測點在關系曲線上兩側都均勻的分布，使用點群分組和計算重心的方法來確定關系線。在一個初步確定的水位曲線范圍處劃分出一個或多個穩定水位級，并可在以上各穩定水位級下的同一穩定水位級處分別將在其中確定的恒定流速、流量和面積讀出并分析其中的關系，控制其中的誤差小于3%，在此基礎上計算不確定度，將誤差控制在2%內。不穩定水位流量關系下，所要呈現出的水位曲線表現為形狀起伏不唯一且水位變化很復雜的一條直線或多條水平曲線。由于影響因素的不同，水位流量關系曲線中的測點及其分布和狀態情況也都有所的不同，在分析水位流量關系時需控制同一區域內的水文站測點變動因素，使其保持一致，并在相對穩定期間內測出水位流量關系情況。對于其中斷面變化的時期，可以采用自然過渡或內插過渡等方式結合水位變化情況和測點分布情況判斷水位流量關系。

三、超標洪水水位流量關系定線技巧

超標洪水水位流量關系定線中，對流量數據信息的測量是重點，因此在對相關信息整合處理時，需要包括對實測數據的整理和大斷面成果數據的整理，繪制相應的水位面積、水位流量和水位流速等關系曲線，并對關系曲線進行檢驗。對數據信息進行整理，對平均流量和水文要素表等加強分析和檢查。在水位流量關系定線前必須加強對流量資料的整編，使上述提到的各過程相互進行。在資料編制整合完成后，繪制相關水位變化的曲線，將其中的數據自動整合加工和分析。在此過程中，還需要加強對測站特征的了解，分析測驗方法的標準程度，對當地的水情尤其洪水情況等加強調查研究。以此為基礎，認真審查流量信息和材料，保證信息的準確性和真實性后再開展后續工作。

針對穩定水位流量關系主要表現為測站控制程度較高，水位流量關系變化影響因素基本保持穩定狀態，即使其中的影響因素變化，隨著水位發生變化，其中的影響因素之前也能相對互補，同樣使水位流量關系線為單一曲線。在這種情況下，要想選擇合適的測站位置需要考慮多方面因素。針對于本身不夠穩定但因經過特定處理或引入水力因素后呈現出穩定關系的情況，在編制中要對其特殊說明，對其中所通過哪種處理關系進行詳細說明，加強對相關基礎資料的研究和剖析。

針對不穩定水位流量關系，其受到更多因素的影響，且受到影響因素不同會呈現出不同的測點分布狀態。若是受到沖淤影響，同一水位的面積會增大或減小，水位流量關系會隨之發生變化；受到洪水漲落的影響時，洪水波產生的附加比降發生變化，導致水位相同情況下，洪水流速增大，流量也會相對增大，反之流量會減小，漲水點和落水點也會出現偏移情況，導致水位流量關系線出現變化。若是受到水生植物的影響，在其生長期內，過水面積減小，糙率增大，水位流量關系線中的點分布會逐漸向左偏移，在水生植物枯竭期，該影響減小或消失，水位流量關系線中的點分布也會逐漸向右偏移。

對于水位流量關系定線推流方法的選擇和操作技巧，以單一線為例，應根據測站的特征情況，采用數學模型或插值法完成曲線的擬定。使用單一曲線法推流需要對其進行單值化處理，通常使用流率表或多項式方程方法進行處理，表現出水位流量的單一關系。使用單一水位流量關系定線的主要原則在于：1.全年實測流量點應能控制當年水位變幅75%左右，高水延長不能大于20%，低水區延長控制在5%以內。2.在實測流量中，年頭與年末銜接的位置要繪制上年末和下年初各1-3個測點，且保證接頭位置測點的精確度，一類精度站不應大于±3%，其他站不應大于±5%。（單值化處理的站可放寬至±5%）。3.關系曲線在繪制的過程中應經過點群的中心，保證曲線的連續性和圓滑性，各點之間自然連接，不能出現反曲的情況。對于所有水位流量關系點中分布較為異常的測點要深入分析其異常原因，若是由水力因素所導致的異常情況，可作為可靠資料，需要對其進一步分析，計算和檢驗其中存在的錯誤數據信息等，若屬于計算或測驗方面的錯誤，則應予以改正，并對曲線加以調整，無法改正的，予以舍棄并做相應說明。在此過程中，使用單一曲線進行定線推流的測站要保證其分布的均勻合理性，并確保漲落水面測次分布的均勻性，控制好相鄰測點之間的距離分布。在完成以上工作后，進行隨機不確定度和標準差的計算和檢驗，確保其符合精準要求。具體來說，使用單一曲線法進行定線工作時，其中流速儀法測流定線精度應該符合定線精度指標如下表。

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四、超標洪水水位流量關系線擬定方法

將以上研究作為基礎，分析超標洪水水位流量關系線的擬定方法。為了能促使今后在同一汛期內各個水文測站內超標洪水等級的聯合測報等工作得到有序協調開展，必須首先根據自身現有能力需求，對各種超標的洪水水位流量關系線圖加以分類擬定，并逐步將其指標作為各類水文站觀測的主要重點或衡量參考指標，等級進行合理劃分，以此逐步確定測算出相應具體級別的最高水位流量和最小流量節點，以此數據作為決策重要基礎依據和制定了相應科學的綜合測報方案。對此，本文以安徽省安慶市的十處水文站作為主要案例進行分析。

1.多年綜合線法

由于安徽省安慶市地區在近幾年基本上屬于平水年份，因此對其中的監測站網基本是沒有可能出現大面積超標或洪水泛濫的異常情況，所以筆者在實際繪制水位流量關系線時，對其中的低中水位部分和高中高水位部分是參考了2020年汛期及汛前連續三年出現的大流量數據情況，中高水位部分則是完全參照了歷年來所出現的斷面情況，分析研究大水數據以及實測數據情況。其次，要對所選擇的材料進行綜合性分析，繪制整理出了相應類型的河流水位面積關系圖、水位變化和平均流速關系圖、水位變動和斷面最大水位流速關系圖以及斷面水位流量關系圖等，保證中高水區域的水位數量關系多年綜合線的精確度。在繪制多年綜合線時，要在對以上各類實測數據的分析基礎上進行，并根據測站的實際情況繪制相應的水位流量關系線，其中在將中高水區域內的數據在關系線上表現出來，并在電腦繪制后分析所繪制的關系線合理程度。通常來說，在中高水區域的流量面積保持與大水時期的平均流速相一致的變化趨勢，能夠有利于所繪制的關系線更符合測站的特征，在超標洪水測報時，使用多年綜合線能夠使分析結果更為準確。

2.曼寧公式法

曼寧公式法主要在于在使用流速儀測量測速時，會存在一定的難度，需要利用特殊情況下的測量手段，該方法又被稱為比降面積法。應用曼寧公式法就可以先通過對實測流量數據資料進行的分析而推測得出實際糙率情況，對于那些缺少了實測流動數據資料的實際糙率曲線上的高水位區域資料，進行分析計算時，可以直接將其與河段中的各類特征相結合，包括下游控制情況、植物生長情況、岸壁組成情況等，以此選取合適的糙率值，控制其延長幅度在20%以內。利用曼寧公式法計算也同樣需要我們先進行資料來源的分析選擇，進一步比對在歷年的實測數據資料中所挑選的出水面比降數值和糙率數據值。在我們對相關河流實測的數據信息重新進行了整合及分析處理后，該地區河流近十年來實測出的糙率數據信息和實測水面比降數值信息均較少，更多的為十幾年以前甚至更久之前的數據信息。在分析過程中，河床的沖淤、斷面地物或整治等因素會導致其發生一定變化，但當擬定流量關系線法時直接使用曼寧公式法計算還是能夠起到保證及一定程度的分析參考意義。對各測驗站實測糙率分別繪制的關系圖，并進一步分析了其實測數據點及其分布等情況，發現大多數點分布不集中，因此在分析數據時，對歷年流量信息進行排列，選擇其中五年一遇的流量數據和在以上分析中所得到的水面比降和糙率信息作為超標洪水的數據信息，使用曼寧公式對實際水位流量關系曲線加以計算分析，并分別將此計算數據與多年觀測綜合關系線及分別繪制出來的實測關系線結合進行計算驗證及分析。通過計算參與測量的各站實測的洪水實際的測量變化情況進一步加以驗證分析，形成相應洪水的實際水位面積關系圖，得出實際超標洪水實測的水面比降值數據和糙率數據。

3.單參數地區綜合法

在擬定水位流量關系線中，處于同一水文分區的洪水，影響因素主要在于流域的集水面積。單參數地區綜合法主要對于同一分區內測站中的多年內平均洪峰流量和流域集水面積之間的關系加以研究。將洪水分區作為一個單元，對分區中的實測流量數據信息加以分析，建立分區內部的平均洪峰流量平均值和變差系數經驗值之間的關系公式。為了整合和分析安慶市相關數據信息，對該地區水文手冊中信息進行調取和分析，對其中各相關分區進行分類并計算洪水特征情況，通過其中的參數信息計算得出不同頻率的洪峰流量。在此基礎上再結合使用曼寧公式，計算出流量、斷面面積、比降和糙率之間的關系，對斷面的水位加以勘查并建立水位流量關系線。

4.多參數地區綜合法

多參數地區綜合法是主要研究應用于在單一面積環境下，對某單參數地區利用綜合公式來對當地洪水情況等進行粗略計算分析和推測的一種方法，有時會出現計算過程的誤差。由于多年暴雨特性變化和多年洪峰流量變化趨勢與我國地域特征均有其一定復雜的相互關系，因此為了力求避免分析出現一些較大的誤差，可以建立相應的關系曲線和公式，包括主河道平均比降、流域日平均雨量和流域形狀等相關參數與洪峰流量之間的關系，以此為基礎制定多參數地區經驗公式，進而擬定水位數量關系線。

5.多年綜合線擬定

多年綜合線擬定結合使用曼寧公式法、單參數地區綜合法和多參數地區綜合法等對水位流量關系線進行擬定，對歷年水位流量關系線數據，進行初步擬定，以此形成綜合性分析方法可以進一步的提高水位流量關系線圖的數據精確度。將基本斷面水位面積分級表作為基礎，分別繪制出水位流量關系線、水位面積關系下和水位平均流速關系線，將這些關系線綜合精細化處理，形成三種相統一的關系線，進而更好地對超標洪水情況進行測報。

6.實測年最大流量頻率分析法

實測年最大流量頻率分析法利用頻率分析軟件對各數據多種頻率的相應流量情況分析。利用曼寧公式對水位流量關系加以計算分析，在流量相同的情況下查找出相對應的水位信息，使不同頻率水位對應不同的流量特征，以此形成水位流量關系線。

五、超標洪水水位流量關系線擬定方法總結及建議

使用以上所提到的全部超標洪水水位流量關系線擬定方法，能夠將區域內的現狀斷面情況和歷年來的實測數據信息進行綜合性分析，并力圖在數據整合研究和圖表繪制技術的研究基礎上將圖中的高水部分的單位面積、平均水位流速變化等各種相關數值情況全部繪制計算出來，使其計算點群數據較為集中。中高水位區域內的洪水流量頻率，相同頻率情況下，大水的最大平均洪水流速走勢與全國歷年來平均的大水的最大平均流速趨勢都較為趨于相似，且流量關系線圖的繪制形式較為趨向接近，在不同頻率情況下，洪水的實際集水面積和最大洪峰流量面積之間的流量關系線的擬合方法較好，所以相比較而言，擬合的多年綜合線更符合測站的特征，得到的水位流量關系線更為精準。

但在以上超標洪水水位流量關系線擬定方法中仍然存在一定問題。首先，所參考的相關手冊信息主要記錄2009年之前的相關數據資料，雖然在使用多參數地區綜合法分析計算時能夠滿足30a以上系列資料的相關要求，且能夠具有較強的代表性，但是由于不同年份之間的斷面以上水利工程和生態環境等各種因素會存在一定差距，導致數據參考性精準度有一定影響。其次，由于該地區暴雨通常局部性出現，雨量分布也較為分散稀松，呈不均勻分布的形式，但在相關記錄中關于雨量的記錄信息較少，其中地值線圖等也難以準確地反映大范圍下的暴雨趨勢和分布形態，難以反映其中地形的影響，導致對局部暴雨的控制力度較弱。所以，在使用多參數地區綜合法計算分析時，選擇降水均值數據時基本斷面以上流域的面積相對較小，精準度較低。另外，由于其中部分河道屬于平原區地勢地形，且會受到上游水利工程等因素的影響，若是僅通過公式計算所得到的流量會與實際值存在較大差距。

綜合以上提出以下建議：1.在實際使用曼寧公式法時，需要結合具有充分驗證性的實測現狀斷面水面流量比降數據資料，還需要利用實測糙率信息等，由于水面測量數據是很久之前的數據信息，導致水位糙率關系點不夠集中，因此，為了提高水位流量關系線的精準度，應加強對現狀斷面水面比降數據和糙率信息的收集和分析，使其更加契合于當下的測站特征。2.受到地形沖淤等變化、斷面的整治力度和斷面地物、基本斷面和以上生態環境變遷和其他水利工程影響等多種水文因素相互作用的復雜影響，導致水位數據信息將存在有較多范圍的局部變動，因此今后在準確繪制多年實測綜合流量關系線時更需要重點加強對歷年實測的水位流量信息動態的局部調整處理和誤差糾正，使其更好地分析應用于水利工程實際。3.在相關手冊中所記載的參數地區綜合法中，公式較為簡潔，其使用起來較為便捷，但是由于其簡單性也存在著難以反映特殊流域中的參數特性和影響因素等問題，比如難以反映在設計流域下的流域形狀和河道比降情況，或者在設計流域內的坡度特別陡峭或地形特殊時，要想計算和擬定水位流量關系線還需要綜合使用多參數地區綜合公式法進行。

六、結論

綜上所述，超標洪水水位流量關系線的擬定有多種方法，且每種方法影響因素和發揮的效果有所不同。通過對水位流量關系線的擬定，能夠有效幫助相關水文工作人員在水位流量關系發生變化的情況下，及時采取相應的措施控制流量的變化，以科學的手段掌握河段的水位流量變化情況，實現對河道的有效控制。