落差指数法在水位流量关系单值化处理中的应用

1、落差指数法在水位流量关系单值化处理中的应用黄诚良(长江中游水文水资源勘测局 ,武汉 430012)摘 要 :在分析螺山水文站水位流量关系主要影响因素的基础上 ,选取 13 年的具有代表性的水位流量资料 ,用落差指数法进行单值化处理 ,阐述了处理方法 ,分析了成果精度 。关键词 :水位流量关系 ;单值化处理 ;落差指数法 ;螺山水文站中图分类号 : p333文献标识码 :b文章编号 :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对于水位流量关系受多种因素影响的水文测站 ,实行站队结合的关键在于能否对水位流量关系实行 单值化处理。本文就使用落差指数法对螺山水文站水位流量关系进行单值化处理的情况作一阐述。最大可达0 . 35 m ,一般也有0 . 10 . 2 m ,2 4 小时水位变幅可达0 . 88 m , 水面比降在 1 / 50 00 1/ 500 00 之 间变化 ,水位流量关系呈复式绳套曲线 ,同水位流量最大变幅差可达 5 0 % 。(2) 下游支流和湖泊出水 ,形成变动回水顶托影 响。本站下游具有较多的支流和湖泊 ,它们分别具 有消长规律和吞吐干、支流水量的

5、作用。特别是汛 期 6 月上 、中旬及汛末 9 、10 月这段时间里 ,支流河槽储蓄丰富 ,宣泄不畅 ,便经常产生变动回水波及本 站断面 ,形成顶托影响 ,顶托率可达 16 % 。(3) 断面冲淤变化。本站断面属于不稳定河床 , 河床组成从左至右为分化石礁板 、粗砂 、黏土 。历年 水位平均变幅为13 . 69 m ,最大冲淤变化达 6 m 。在13 个典型年份中 ,涨冲落淤型 6 年 ,平均冲淤变化 为8 . 5 % ;涨淤落冲型 7 年 ,平均冲淤变化为8 . 1 % , 最大冲淤变化为26 . 3 % 。从整体上讲 ,冲淤变化基 本趋于平衡。(4) 其它因素的影响。断面右岸漫滩后护堤林植

6、被使过水断面形成死水区 ; 左岸高洪期近岸边受 上游 150 m 处电站排水影响 ,形成岸边回水区 ; 断面 上游约 8 00 m 处两岸对峙的矶头束水作用 , 紊流加 重以及测验时风、浪的影响等。水位流量关系的主要影响因素螺山水文站位于长江中游干流下段的湖北省洪 湖市螺山镇。洞庭湖与长江两股水在城陵矶汇流后 流经本站断面。因而 ,该站是长江中 、下游水情变化 的重要控制站。确定本站水位流量关系的方法历年来采用连时 序法 ,其主要影响因素是 :(1) 上游来水涨落率的变化。每年 2 5 月间 , 主要是洞庭湖来水 ,长江来量小 ,水位上涨虽不高 , 但涨落率变化较大 ; 6 10 月间 ,主要

7、是长江来水 , 持续时间长 ,水位高 ,涨落率变化不很大 ,在 57 月 间 ,洞庭湖大汛未过 ,长江同时来第一次洪峰时 ,江湖来水 ,两峰叠加 。这时 ,洪水涨落率很大 ,每小时1收稿日期 :2009210209作者简介 :黄诚良( 19552) ,男 ,湖北汉川人 , 工程师 , 大学 , 主要从事( 3)qc=qm / zm(3) 式中各因素的确定如下 :(1) 落差系数 。采用0 . 61 8 试错优选 , 最后 a 、b分别采用0 . 6与0 . 4 。(2) 落差指数。 固定指数 (= 1 . 00 ) : 当采用分析资料的代表性本站具有连续 33 年的水文资料 ,挑选具有丰、 平

8、、枯特征代表性的 1 3 年资料作为分析对象 ,其中197 819 86 年连续系列期间的资料具有葛洲坝建 坝前后的代表性 , 对今后的测验、整编具有实用价值。1 3 年资料中 , 丰水、平水 、枯水年份分别为 2年、3 年、8 年 ,具体见表 1 。表 1 螺山站单值化分析典型年代表性情况说明表2固定指数时 , 以年最高水位出现为分界 , 形成 p前 、p后 两个各自独立的系列 ,即一年中具有 p前 、p后 两支关系曲线。 分段指数 : 以年最高水位出现之前 这一段= 1 . 0 5 ,之后= 0 . 90 ,全年定一支 g qc 关系曲线 。(3) 上、下游落差水尺的确定 。下落差水尺位置

9、 选取距离本站 57 k m 处的长江干流龙口站水位 ( 该 站 19 86 年下迁约 8 k m 改名石矶头站) ,若再下就只 有汉口 ( 武汉关) 水位 , 距本站约 20 0 k m , 从理论计 算分析 ,不宜作为该站的落差水尺。上落差水尺位置选取距离本站上游 3 4 k m 处的洞庭湖出口处城陵矶 ( 七里山) 水位。城陵矶 ( 七里 山) 水尺距江 、湖汇合处约 4 k m ,对于它作为上落差 水尺的代表性问题 ,作了相关分析。以江、湖汇合处 城陵矶海关水位 (海关只有每日 8 时水位) 与七里山水位相关 ,相关系数 r = 1 . 00 ,n - 1 = 3 . 7 % ,关系良

10、 好。城陵矶 (七里山) 水位平均高于海关水位0 . 0 15m 。因而 ,可以认为城陵矶 ( 七里山) 水位基本上能 够代表江 、湖汇合后的水情变化。(4) 关于舍去长江干流监利站水位作为上落差 水位的讨论。在本站上游的长江干流上 ,只有监利(姚圻垴) 站具有常年观测的水位资料。该站距本站 约 12 0 k m ,距江、湖汇合处约 85 k m ,距离过长 ,河道 “九曲回肠”,水流不畅 ,洪水波 在经监利向下演进 的过程中 ,较大程度的扭曲、展开 ,在每年桃汛期湖 水入江 ,对长江形成顶托 ,监利 城陵矶 螺山之间的水面线呈“ ”形 ,致使监利至螺山洪峰传播时间 长达 48 h ,最短也有

11、 14 h 。当城陵矶 (七里山) 水位在28 . 37 m 时 , 七 里 山 断 面 左 岸 开 始 漫 滩 , 水 位 达30 . 00 m (即螺山水位在2 8 . 80 m 左右) ,漫滩完毕 ,江 湖两股水合二为一 ,自然的水流规律受到新的条件的控制 。在这种情况下 ,选用城陵矶 ( 七里山) 水位 作为上落差水位更具有代表性 。为了进一步比较验证单用七里山水位作上落差 水位与七里山水位和监利水位综合后作上落差水位对本站 gqc 关系单值化分析情况 , 以 19 80 、19 83年两年为例 , 将监利水位的落差权重反复调试 , 点绘 的 gqc 关系点过于散乱 , 且无一定规律可

12、循。按 中高水| | 5 % 、低水| | 10 %统计保证率还不足序号 年份 gmax gmin备注qmaxqmin4 060 具有最低最小特征6 580 流速仪实测最大流量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丰水年5 6605 920 考虑与 1968 年连续4 540 19781986 年连续 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 从表 1 可知 ,分析资料控制水位16 . 05 3 3 . 0 4m

14、,控制流量4 0 60 62 300 m3 / s , 完全具备本站资 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关系单值化分析的方法采用落 差指数法 ,基本公式是 :qc = qm / z( )1式中 , qc 为流量校正值; qm 为实测流量 ; z 为与测流时间相应的落差值;为落差指数 。 在单一河道里 , z 为单一落差 , 在非单一河道里 , z 为综合落差 , 根据本站水位流量关系的主要影响因素 , z 为综合落差 z m :zm = az上 + bz下( 2)式中 , zm 为综合落差 ; a 、b 为落差系数 , a + b = 1 , 即落差权重; z上 、

15、z下 为上、下游落差值 , z上 = g城 -g螺 , z下 = g螺 - g龙 ( g石 ) , g城 、g螺 、g龙 、g石 分别为与 测流时间相应的城陵矶 ( 七里山) 、螺山、龙口或石矶头水位 。如此 ( 1 ) 式应为 :70 % ( 2 0 . 46 m 为 低 水、2 0 . 4 6 27 . 1 9 m 为 中 水 、 532010 年 6 月长江工程职业技术学院学报第 27 卷 第 2 期27 . 19 m 以上为高水) , 不能满足分析精度的要求。鉴于以上分析 ,七里山水位是能够反映上游来水情 况的。3 . 2单值化分析成果的精度汇编的要求 ,选取丰水年 19 68 年、平

16、水位 1 98 3 年 、枯水位 1 97 8 年推算单值化整编流量分别与该年连序法整编成果进行对照 ,比较精度如下 :(1) 月平均流量相对差均小于 5 % ; (2 ) 年平均 流量相对差均小于 1 % ; ( 3 ) 年径流量 、径流深、径流模数相对差均小于 1 % ; (4) 月最大 、最小流量相 对差汛期不超过 5 % ,枯期不超过 8 % ,出现日期 基本对应 ; (5) 逐时流量过程线与连时序法比较基本 吻合 ,与逐时水位过程线基本相应 ; ( 6 ) 汛期洪量比 较符合精度要求。经过三年整编成果的比较验证 ,用落差指数法 整编本站流量 ,成果可靠 。水文测验试行规范规定 “:水

17、力因素法 ( 包括落差法 、校正因素法、) 若用各种水力因素与流量相关定线 , 关系点密集成带状 , 无明显的系统偏离 ,且有 75 %以上的点子偏离曲线上、中部不超过1 0 % ,就可以定出一条曲线推流”。根据这个原 则 ,作了成果精度统计 。(1) 分段指数 :p ( | | 5 % 、10 %) min = 78 . 0 % , p ( | |5 % 、10 %) max = 90 . 6 % ;最大偶然误差为16 . 3 % ,出现水位为 p前 的25 . 4 6 m ;平均保证率为84 . 1 % 。(2) 固定指数 :结语5p前 : p ( | | 5 % 、10 %) min =

18、 7 5 . 4 % , p ( | |当断面比较稳定时 ,运用落差指数法处理受洪水涨落影响和变动回水顶托影响的水位流量关系 , 其效果是较理想的 。本站采用综合落差、分段指数 处理断面变化具有一定规律且受洪水涨落 、变动回 水影响的水位流量关系 ,取得比较满意的结果。本 站断面变化的平均冲淤量为 - 8 . 5 %8 . 1 % ,以年最高水位出现前后为分界 ,作为指数变动的依据 ,实 质上是对具有涨冲落淤或涨淤落冲断面变化的改 正。得出的分析精度和整编成果就进一步证明了分5 % 、1 0 %) max = 93 . 9 % ,平均保证率为8 4 . 2 % ,最大偶然误差为 - 2 6 . 0 % ,