落差指數(shù)法在水位流量關(guān)系單值化處理中的應(yīng)用

1、落差指數(shù)法在水位流量關(guān)系單值化處理中的應(yīng)用黃誠良(長江中游水文水資源勘測局 ,武漢 430012)摘 要 :在分析螺山水文站水位流量關(guān)系主要影響因素的基礎(chǔ)上 ,選取 13 年的具有代表性的水位流量資料 ,用落差指數(shù)法進(jìn)行單值化處理 ,闡述了處理方法 ,分析了成果精度 。關(guān)鍵詞 :水位流量關(guān)系 ;單值化處理 ;落差指數(shù)法 ;螺山水文站中圖分類號 : p333文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :b文章編號 :167320496 (2010) 0220052203fallexponent method in un if ormizat ion treatmentof water level and flo w relat

2、 ionh u a n g che ng2lia ng( mi ddle reache s hydrolo gy a nd wat er re so urce s b urea u of ya ngtze river , wuha n 4 30 021 , chi na)abstract : o n t he ba si s of t he a nal ysi s of i mp acti ng f acto r s i n relatio n bet wee n wat e r level a nd f lo w i n l uo sha n hydrolo gical st atio n

3、, unifo r mizatio n t reat me nt wa s ma de wit h f all e xpo ne nt met ho d. al so , t he met ho d wa s i nt erp ret ed i n det ail a nd dat a accuracy wa s a nal yzed .key words :relatio n bet wee n wat er level a nd f lo w ; unifo r mizatio n t reat me nt ; f all e xpo ne nt met h2o d ; l uo sha

4、n hydrolo gical st atio n對于水位流量關(guān)系受多種因素影響的水文測站 ,實(shí)行站隊(duì)結(jié)合的關(guān)鍵在于能否對水位流量關(guān)系實(shí)行 單值化處理。本文就使用落差指數(shù)法對螺山水文站水位流量關(guān)系進(jìn)行單值化處理的情況作一闡述。最大可達(dá)0 . 35 m ,一般也有0 . 10 . 2 m ,2 4 小時(shí)水位變幅可達(dá)0 . 88 m , 水面比降在 1 / 50 00 1/ 500 00 之 間變化 ,水位流量關(guān)系呈復(fù)式繩套曲線 ,同水位流量最大變幅差可達(dá) 5 0 % 。(2) 下游支流和湖泊出水 ,形成變動(dòng)回水頂托影 響。本站下游具有較多的支流和湖泊 ,它們分別具 有消長規(guī)律和吞吐干、支流水量的

5、作用。特別是汛 期 6 月上 、中旬及汛末 9 、10 月這段時(shí)間里 ,支流河槽儲(chǔ)蓄豐富 ,宣泄不暢 ,便經(jīng)常產(chǎn)生變動(dòng)回水波及本 站斷面 ,形成頂托影響 ,頂托率可達(dá) 16 % 。(3) 斷面沖淤變化。本站斷面屬于不穩(wěn)定河床 , 河床組成從左至右為分化石礁板 、粗砂 、黏土 。歷年 水位平均變幅為13 . 69 m ,最大沖淤變化達(dá) 6 m 。在13 個(gè)典型年份中 ,漲沖落淤型 6 年 ,平均沖淤變化 為8 . 5 % ;漲淤落沖型 7 年 ,平均沖淤變化為8 . 1 % , 最大沖淤變化為26 . 3 % 。從整體上講 ,沖淤變化基 本趨于平衡。(4) 其它因素的影響。斷面右岸漫灘后護(hù)堤林植

6、被使過水?dāng)嗝嫘纬伤浪畢^(qū) ; 左岸高洪期近岸邊受 上游 150 m 處電站排水影響 ,形成岸邊回水區(qū) ; 斷面 上游約 8 00 m 處兩岸對峙的磯頭束水作用 , 紊流加 重以及測驗(yàn)時(shí)風(fēng)、浪的影響等。水位流量關(guān)系的主要影響因素螺山水文站位于長江中游干流下段的湖北省洪 湖市螺山鎮(zhèn)。洞庭湖與長江兩股水在城陵磯匯流后 流經(jīng)本站斷面。因而 ,該站是長江中 、下游水情變化 的重要控制站。確定本站水位流量關(guān)系的方法歷年來采用連時(shí) 序法 ,其主要影響因素是 :(1) 上游來水漲落率的變化。每年 2 5 月間 , 主要是洞庭湖來水 ,長江來量小 ,水位上漲雖不高 , 但漲落率變化較大 ; 6 10 月間 ,主要

7、是長江來水 , 持續(xù)時(shí)間長 ,水位高 ,漲落率變化不很大 ,在 57 月 間 ,洞庭湖大汛未過 ,長江同時(shí)來第一次洪峰時(shí) ,江湖來水 ,兩峰疊加 。這時(shí) ,洪水漲落率很大 ,每小時(shí)1收稿日期 :2009210209作者簡介 :黃誠良( 19552) ,男 ,湖北漢川人 , 工程師 , 大學(xué) , 主要從事( 3)qc=qm / zm(3) 式中各因素的確定如下 :(1) 落差系數(shù) 。采用0 . 61 8 試錯(cuò)優(yōu)選 , 最后 a 、b分別采用0 . 6與0 . 4 。(2) 落差指數(shù)。 固定指數(shù) (= 1 . 00 ) : 當(dāng)采用分析資料的代表性本站具有連續(xù) 33 年的水文資料 ,挑選具有豐、 平

8、、枯特征代表性的 1 3 年資料作為分析對象 ,其中197 819 86 年連續(xù)系列期間的資料具有葛洲壩建 壩前后的代表性 , 對今后的測驗(yàn)、整編具有實(shí)用價(jià)值。1 3 年資料中 , 豐水、平水 、枯水年份分別為 2年、3 年、8 年 ,具體見表 1 。表 1 螺山站單值化分析典型年代表性情況說明表2固定指數(shù)時(shí) , 以年最高水位出現(xiàn)為分界 , 形成 p前 、p后 兩個(gè)各自獨(dú)立的系列 ,即一年中具有 p前 、p后 兩支關(guān)系曲線。 分段指數(shù) : 以年最高水位出現(xiàn)之前 這一段= 1 . 0 5 ,之后= 0 . 90 ,全年定一支 g qc 關(guān)系曲線 。(3) 上、下游落差水尺的確定 。下落差水尺位置

9、 選取距離本站 57 k m 處的長江干流龍口站水位 ( 該 站 19 86 年下遷約 8 k m 改名石磯頭站) ,若再下就只 有漢口 ( 武漢關(guān)) 水位 , 距本站約 20 0 k m , 從理論計(jì) 算分析 ,不宜作為該站的落差水尺。上落差水尺位置選取距離本站上游 3 4 k m 處的洞庭湖出口處城陵磯 ( 七里山) 水位。城陵磯 ( 七里 山) 水尺距江 、湖匯合處約 4 k m ,對于它作為上落差 水尺的代表性問題 ,作了相關(guān)分析。以江、湖匯合處 城陵磯海關(guān)水位 (海關(guān)只有每日 8 時(shí)水位) 與七里山水位相關(guān) ,相關(guān)系數(shù) r = 1 . 00 ,n - 1 = 3 . 7 % ,關(guān)系良

10、 好。城陵磯 (七里山) 水位平均高于海關(guān)水位0 . 0 15m 。因而 ,可以認(rèn)為城陵磯 ( 七里山) 水位基本上能 夠代表江 、湖匯合后的水情變化。(4) 關(guān)于舍去長江干流監(jiān)利站水位作為上落差 水位的討論。在本站上游的長江干流上 ,只有監(jiān)利(姚圻垴) 站具有常年觀測的水位資料。該站距本站 約 12 0 k m ,距江、湖匯合處約 85 k m ,距離過長 ,河道 “九曲回腸”,水流不暢 ,洪水波 在經(jīng)監(jiān)利向下演進(jìn) 的過程中 ,較大程度的扭曲、展開 ,在每年桃汛期湖 水入江 ,對長江形成頂托 ,監(jiān)利 城陵磯 螺山之間的水面線呈“ ”形 ,致使監(jiān)利至螺山洪峰傳播時(shí)間 長達(dá) 48 h ,最短也有

11、 14 h 。當(dāng)城陵磯 (七里山) 水位在28 . 37 m 時(shí) , 七 里 山 斷 面 左 岸 開 始 漫 灘 , 水 位 達(dá)30 . 00 m (即螺山水位在2 8 . 80 m 左右) ,漫灘完畢 ,江 湖兩股水合二為一 ,自然的水流規(guī)律受到新的條件的控制 。在這種情況下 ,選用城陵磯 ( 七里山) 水位 作為上落差水位更具有代表性 。為了進(jìn)一步比較驗(yàn)證單用七里山水位作上落差 水位與七里山水位和監(jiān)利水位綜合后作上落差水位對本站 gqc 關(guān)系單值化分析情況 , 以 19 80 、19 83年兩年為例 , 將監(jiān)利水位的落差權(quán)重反復(fù)調(diào)試 , 點(diǎn)繪 的 gqc 關(guān)系點(diǎn)過于散亂 , 且無一定規(guī)律可

12、循。按 中高水| | 5 % 、低水| | 10 %統(tǒng)計(jì)保證率還不足序號 年份 gmax gmin備注qmaxqmin4 060 具有最低最小特征6 580 流速儀實(shí)測最大流量1234567891011121963 28 . 83 16 . 05 46 0001964 32 . 36 17 . 98 62 3001968 32 . 59 17 . 33 58 3001969 32 . 43 17 . 56 59 9001978 29 . 02 17 . 00 41 9001979 30 . 26 17 . 05 47 3001980 32 . 66 17 . 67 54 0001981 30

13、. 53 18 . 50 50 5001982 31 . 28 18 . 00 53 3001983 33 . 04 19 . 39 59 4001984 30 . 60 18 . 24 48 5001985 29 . 32 18 . 54 45 100豐水年5 6605 920 考慮與 1968 年連續(xù)4 540 19781986 年連續(xù) 9 年4 7005 0505 500枯年份最高水位年4 9306 2805 1006 140 1 3 1 98 6 2 9 . 86 1 7 . 9 3 49 0 00 5 5 90 從表 1 可知 ,分析資料控制水位16 . 05 3 3 . 0 4m

14、,控制流量4 0 60 62 300 m3 / s , 完全具備本站資 料的代表性。3 分析方法及精度3 . 1分析方法本站水位流量關(guān)系單值化分析的方法采用落 差指數(shù)法 ,基本公式是 :qc = qm / z( )1式中 , qc 為流量校正值; qm 為實(shí)測流量 ; z 為與測流時(shí)間相應(yīng)的落差值;為落差指數(shù) 。 在單一河道里 , z 為單一落差 , 在非單一河道里 , z 為綜合落差 , 根據(jù)本站水位流量關(guān)系的主要影響因素 , z 為綜合落差 z m :zm = az上 + bz下( 2)式中 , zm 為綜合落差 ; a 、b 為落差系數(shù) , a + b = 1 , 即落差權(quán)重; z上 、

15、z下 為上、下游落差值 , z上 = g城 -g螺 , z下 = g螺 - g龍 ( g石 ) , g城 、g螺 、g龍 、g石 分別為與 測流時(shí)間相應(yīng)的城陵磯 ( 七里山) 、螺山、龍口或石磯頭水位 。如此 ( 1 ) 式應(yīng)為 :70 % ( 2 0 . 46 m 為 低 水、2 0 . 4 6 27 . 1 9 m 為 中 水 、 532010 年 6 月長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)第 27 卷 第 2 期27 . 19 m 以上為高水) , 不能滿足分析精度的要求。鑒于以上分析 ,七里山水位是能夠反映上游來水情 況的。3 . 2單值化分析成果的精度匯編的要求 ,選取豐水年 19 68 年、平

16、水位 1 98 3 年 、枯水位 1 97 8 年推算單值化整編流量分別與該年連序法整編成果進(jìn)行對照 ,比較精度如下 :(1) 月平均流量相對差均小于 ±5 % ; (2 ) 年平均 流量相對差均小于 ±1 % ; ( 3 ) 年徑流量 、徑流深、徑流模數(shù)相對差均小于 ±1 % ; (4) 月最大 、最小流量相 對差汛期不超過 ±5 % ,枯期不超過 ±8 % ,出現(xiàn)日期 基本對應(yīng) ; (5) 逐時(shí)流量過程線與連時(shí)序法比較基本 吻合 ,與逐時(shí)水位過程線基本相應(yīng) ; ( 6 ) 汛期洪量比 較符合精度要求。經(jīng)過三年整編成果的比較驗(yàn)證 ,用落差指數(shù)

17、法 整編本站流量 ,成果可靠 。水文測驗(yàn)試行規(guī)范規(guī)定 “:水力因素法 ( 包括落差法 、校正因素法、) 若用各種水力因素與流量相關(guān)定線 , 關(guān)系點(diǎn)密集成帶狀 , 無明顯的系統(tǒng)偏離 ,且有 75 %以上的點(diǎn)子偏離曲線上、中部不超過±1 0 % ,就可以定出一條曲線推流”。根據(jù)這個(gè)原 則 ,作了成果精度統(tǒng)計(jì) 。(1) 分段指數(shù) :p ( | | 5 % 、10 %) min = 78 . 0 % , p ( | |5 % 、10 %) max = 90 . 6 % ;最大偶然誤差為16 . 3 % ,出現(xiàn)水位為 p前 的25 . 4 6 m ;平均保證率為84 . 1 % 。(2) 固定

18、指數(shù) :結(jié)語5p前 : p ( | | 5 % 、10 %) min = 7 5 . 4 % , p ( | |當(dāng)斷面比較穩(wěn)定時(shí) ,運(yùn)用落差指數(shù)法處理受洪水漲落影響和變動(dòng)回水頂托影響的水位流量關(guān)系 , 其效果是較理想的 。本站采用綜合落差、分段指數(shù) 處理斷面變化具有一定規(guī)律且受洪水漲落 、變動(dòng)回 水影響的水位流量關(guān)系 ,取得比較滿意的結(jié)果。本 站斷面變化的平均沖淤量為 - 8 . 5 %8 . 1 % ,以年最高水位出現(xiàn)前后為分界 ,作為指數(shù)變動(dòng)的依據(jù) ,實(shí) 質(zhì)上是對具有漲沖落淤或漲淤落沖斷面變化的改 正。得出的分析精度和整編成果就進(jìn)一步證明了分5 % 、1 0 %) max = 93 . 9 % ,平均保證率為8 4 . 2 % ,最大偶然誤差為 - 2 6 . 0