熊北鋒
(陜西省商洛水文水資源勘測(cè)局,陜西 商洛726000)
水位(流量)分級(jí)是描述水勢(shì)變化范圍的一個(gè)重要指標(biāo)界限,劃分河流測(cè)驗(yàn)斷面高、中、低水是確定流量測(cè)次布設(shè)、單次測(cè)驗(yàn)質(zhì)量精度評(píng)定、定線精度評(píng)定、水位流量單值化分析、巡測(cè)方案編制等工作的重要依據(jù)。上世紀(jì)九十年代依照《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-93)有關(guān)條款,對(duì)武關(guān)水文站水位級(jí)進(jìn)行了劃分,根據(jù)劃分的不同水位級(jí)水位值,用當(dāng)年的水位流量關(guān)系線推求流量,十余年應(yīng)用情況是:高水流量最大查到65.0 m3/s,要么查不到流量;中水流量最大查到1 5.0 m3/s,要么查不到流量;低水流量最大查到5.0 m3/s,要么查不到流量。使用該方法劃分的水位級(jí)成果,進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)、整編質(zhì)量評(píng)定不合理,不符合武關(guān)站測(cè)站特性,水位分級(jí)劃分的高、中、低水水位對(duì)應(yīng)的流量不能代表武關(guān)河河床斷面沖淤變化過程。
2015 年新修訂的《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015),提出采用典型年法和頻率流量來劃分水位(流量)級(jí)。本文按照新規(guī)范要求,對(duì)武關(guān)水文站水位(流量)級(jí)采用典型年法和頻率流量進(jìn)行劃分。
武關(guān)水文站設(shè)立于1959 年1 月。屬于武關(guān)河控制站,集水面積724 km2,距河口距離35 km。屬于二類精度流量站。汛期為5 月~10 月份。實(shí)測(cè)最大流量2560 m3/s,發(fā)生于1987 年6月5 日,實(shí)測(cè)最高水位102.65 m。武關(guān)水文站大斷面變化圖見圖1。
武關(guān)河為丹江左岸較大支流,流域面積900.0 km2,比降8.1‰,河長(zhǎng)116.0 km。年平均徑流量1.66 億m3,年平均流量4.90 m3/s,年輸沙量26.5 萬t,年平均含沙量1.71 kg/m3,年平均降水量765.6 mm,年平均蒸發(fā)量910.9 mm。武關(guān)河發(fā)源于海拔1744 m 的蟒嶺主脊南側(cè),向東南流經(jīng)庾家河(上游稱庾家河)、石門(以下稱武關(guān)河),于武關(guān)河口入丹江。武關(guān)河支流眾多,兩側(cè)支流對(duì)稱分布。流域平均寬度7.7 km,是一條比較明顯的樹枝狀水系。
圖1 武關(guān)水文大斷面變化圖
2016 年實(shí)施的《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015),其中水位(流量)級(jí)劃分充分考慮了河流特性、測(cè)站測(cè)洪能力及影響水位流量變化的各種因素,選擇適合測(cè)站特性的劃分方法。
(1)當(dāng)測(cè)站水量豐富或水位基本處于天然狀態(tài)時(shí),可采用暢流期頻率水位進(jìn)行水位級(jí)劃分。對(duì)二、三類精度的水文站,水位級(jí)的劃分可采用典型年法。
典型年法是根據(jù)測(cè)站各年汛期總水量Wf,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取汛期徑流量頻率P 為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的徑流量相近的年份為豐、平、枯水典型年;根據(jù)三個(gè)典型年的汛期逐日最高水位Z m′,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取頻率P 為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的水位為高、中、低水位。
(2)當(dāng)測(cè)站水量較小或水位受工程影響嚴(yán)重時(shí),可采用頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分。
根據(jù)測(cè)站各年實(shí)測(cè)最大流量Qm,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取頻率P 為90%所對(duì)應(yīng)的流量為高水流量;根據(jù)測(cè)站各年平均流量,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取頻率P 為50%、10%所對(duì)應(yīng)的流量為中水流量和低水流量。
(1)采用典型年法進(jìn)行水位級(jí)劃分
選取1959 年~2017 年共59 年各年汛期5 月~10 月總水量,經(jīng)計(jì)算:頻率P=10%,對(duì)應(yīng)流量QP=90.5 m3/s;頻率P=50%,對(duì)應(yīng)流量QP=37.0 m3/s;頻率P=90%,對(duì)應(yīng)流量QP=14.9 m3/s,見圖2,分別代表豐、平、枯水典型年。查找汛期徑流總量相似的年份有2011 年87.9 m3/s、2014 年32.6 m3/s、2015年15.2 m3/s。
圖2 武關(guān)水文站5 月~10 月流量頻率曲線
根據(jù)這三個(gè)典型年的汛期逐日最高水位Zm′,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,頻率P 為10%、50%、90%對(duì)應(yīng)的水位見表1。
表1 武關(guān)水文站典型年法水位級(jí)劃分結(jié)果表
(2)采用頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分
高水流量推求:根據(jù)武關(guān)站1959 年~2017 年實(shí)測(cè)年最大流量Qm,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,頻率P 為90%流量為69.8 m3/s 為高水流量。見圖3。
圖3 武關(guān)水文站年最大流量頻率曲線
中、低水流量推求:根據(jù)武關(guān)站1959 年~2017 年年平均流量Q,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取頻率P 為50%、10%對(duì)應(yīng)的流量分別為4.13 m3/s、1.73 m3/s,即為中水流量和低水流量。見圖4。
圖4 武關(guān)水文站年平均流量頻率曲線
用頻率流量法劃分的武關(guān)水文站流量級(jí)見表2。
表2 武關(guān)水文站頻率流量法流量級(jí)劃分成果表 單位:m3/s
(1)典型年法適用水量豐富的河流,即河床部分均有水深,河道灘地裸露很少,水位受洪水沖淤主槽變化影響較小,河床常年處于天然狀態(tài)的水面。從武關(guān)站情況分析,洪水時(shí)期90 m 寬的河槽全斷面過水,平水時(shí)期水面寬20 m~40 m,枯水時(shí)期水面寬5 m~10 m。主槽不穩(wěn)定,較大洪水發(fā)生后,河床極易出現(xiàn)主槽變化(俗稱倒槽),水位流量關(guān)系線基本是一場(chǎng)洪水一條關(guān)系線,水位變化不能反映流量變化。另外,汛期洪水漲落急劇,洪水日數(shù)短,枯季日數(shù)長(zhǎng)。采用典型年法確定水位級(jí),不能反映武關(guān)站高、中、低水期水勢(shì)變化。
(2)采用頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分的結(jié)果見表2。表2 的劃分結(jié)果與表1 的劃分的結(jié)果相差較大。采用頻率流量法確定流量級(jí)較典型年法確定流量級(jí)更符合武關(guān)水文站水情。
(3)采用頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分,也符合武關(guān)河河流斷面特性。從武關(guān)站測(cè)洪能力分析,隨著纜道的改造升級(jí),測(cè)洪能力達(dá)到30 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。筆者在武關(guān)水文站工作十幾年,涉水測(cè)流最大流量為5.0 m3/s 左右,因此采用頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分也較好地反映了武關(guān)水文站水勢(shì)變化情況。
(1)經(jīng)分析認(rèn)為,用典型年法確定的高、中、低水期不適合武關(guān)水文站水勢(shì)情況;采用頻率流量法進(jìn)行流量級(jí)劃分符合武關(guān)水文站水情。
(2)從武關(guān)水文站流量級(jí)劃分成果分析,對(duì)于河流水系情況相似的水文站,應(yīng)按頻率流量進(jìn)行流量級(jí)劃分。
(3)根據(jù)表2 確定武關(guān)站流量級(jí)劃分結(jié)果:流量大于或等于70 m3/s 以上為高水期;流量小于70 m3/s 但大于或等于5.0 m3/s 為中水期;流量小于5.0 m3/s 但大于或等于2.0 m3/s 為低水期;流量小于2.0 m3/s 為枯水期。
(4)合理劃分水位(流量)級(jí),對(duì)于在流量測(cè)次布置、單次流量測(cè)驗(yàn)精度評(píng)定、整編誤差評(píng)定、單值化處理以及巡測(cè)方案編制等工作中有著重要的作用。建議根據(jù)新修訂的《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015),結(jié)合測(cè)站特性,在全省范圍內(nèi)全面重新開展水位(流量)級(jí)劃分,重新確定水位(流量)級(jí)工作。