滕培宋

（廣西壯族自治區(qū)水文中心，南寧 530023）

0 引言

流量是水資源利用，及反映水資源量和江河、湖泊、水庫等水量變化的基本要素，也是江河最重要的水文要素之一，是區(qū)域水資源量分析及開發(fā)利用重要基礎(chǔ)要素，同時也是洪水預(yù)報重要因子，預(yù)報的水位通常都采用水位流量關(guān)系反推求水位。

目前，西江梧州水文站水位流量關(guān)系采用儀器施測點建立或水平式固定ADCP 實時在線監(jiān)測，但在實際應(yīng)用中，還存在許多不足，主要是水平式固定ADCP實時在線監(jiān)測流[1]成果誤差較大，同時經(jīng)常存在著流量值突變現(xiàn)象。而采用儀器施測點建立的繩套水位流量關(guān)系曲線在應(yīng)用上因同一水位可查到多個流量數(shù)值，極容易造成預(yù)報分析應(yīng)用的差誤；通過施測點建立的綜合水位流量關(guān)系曲線也不能隨時跟蹤修正或換線，容易造成很大流量誤差?；谶@些問題，本文從最容易通過遙測穩(wěn)定獲取的水位信息進行分析，并以西江梧州水文站2014、2015年及 2017年 21 m 以上走航式 ADCP 或流速儀測流成果為依托，采用按水位分級，以實時在線監(jiān)測的梧州站水位、龍圩與梧州同時水位差、梧州同時水位漲落率等多要素為參數(shù)構(gòu)建分水位級的梧州站水位流量關(guān)系，便于從實時水位監(jiān)測信息獲取實時相應(yīng)流量成果，利用2017年實測流量成果進行檢驗，取2019年7月水位過程作推流計算，從檢驗成果及推流成果可知，采用本方法所構(gòu)建的梧州站水位流量關(guān)系精度較好，能滿足實際需要，同時僅通過水位監(jiān)測成果構(gòu)建，便于做到實時在線監(jiān)測流量情況，豐富江河流量監(jiān)測手段，積累用實測水位信息監(jiān)測流量經(jīng)驗，可為今后廣西具有上、下游水位監(jiān)測信息的河段構(gòu)建水位流量關(guān)系提供參考和借鑒。

1 梧州水文站基本情況

西江是珠江流域的第一大水系，全長2075 km，河道平均坡降0.58%，流域面積353 120 km2，占珠江流域的77.83%。

梧州水文站幾經(jīng)遷移，現(xiàn)水文站監(jiān)測斷面位于梧州市桂江匯入處下游約2 km處，是西江干流的重要控制站，屬于國家洪水編號站。梧州水文站監(jiān)測斷面以上集水面積327 006 km2，占西江流域集水面積的94.6%，控制了廣西境內(nèi)85%的來水。該站測驗項目齊全，有水位、流量、含沙量、降雨、蒸發(fā)、水溫、岸溫、水質(zhì)監(jiān)測等測驗項目，自建站以來實測最高水位27.80 m（85基準(zhǔn)，下同），實測最大流量54 500 m3/s；實測最低水位1.42 m，，實測最小流量684 m3/s。

斷面河段尚順直，左岸為沙石堆土，右岸為風(fēng)化巖石，不易沖刷。下游140 m建有云龍大橋，與原（三）站基本水尺斷面相距400 m。主流居中偏右，河底起點距250 m 往右岸為巖石，往左岸為沙質(zhì)淤積土，河床右邊深左邊淺，呈v 字型，測驗河段總體比較穩(wěn)定，梧州水文站監(jiān)測斷面示意圖見圖1，大斷面示意圖見圖2。

圖1 梧州水文站監(jiān)測斷面示意圖

圖2 大斷面示意圖

該站目前流量測驗設(shè)施有船測走航ADCP，水平固定式ADCP，側(cè)掃雷達等；水位監(jiān)測采用浮子式水位計，可在線遙測實時傳送區(qū)中心。固定水平式ADCP實時在線測流成果存在很大的不確定性[1]，瞬時突變非常嚴(yán)重[2]。如2018年2～3月梧州站采用固定水平式ADCP實時在線測流成果，見圖3。

圖3 梧州水文站2018年2～3月水位流量過程

其水位流量關(guān)系主要受洪水漲落影響，洪水時附加比降的產(chǎn)生引起流速的變化，繼而導(dǎo)致流量的增減明顯：漲水時水位流量關(guān)系點子偏右，落水時水位流量關(guān)系點子偏左，峰谷點子則居中，依時序先后連接各點子，呈以峰谷為軸的逆時針方向的繩套曲線。單峰為單套，駝峰或疊加峰為復(fù)式套。

2 輔助水文站

2012年開展重點防洪城鎮(zhèn)建設(shè)時，在梧州水文站上游約8 km處的龍圩區(qū)設(shè)有龍圩水位監(jiān)測站，站址位于龍圩區(qū)龍圩鎮(zhèn)下廓街，是西江干流的省級報汛站，本次分析以該站為輔助參證站。

3 梧州水文站流量測驗成果及分級分析

3.1 資料樣本

選用梧州水文站 2014年、2015年及 2017年 21 m以上高水部分采用走航式ADCP或流速儀施測流量成果，共234份流量施測成果作為樣本（見表1）。構(gòu)建以梧州站水位、龍圩與梧州同時水位差、梧州同時水位漲落率等為參數(shù)的多要素的Z～Q關(guān)系，其模型表達式為：

式中：Zt梧州為梧州站現(xiàn)時水位；ΔZ=Zt龍圩-Zt梧州為同時龍圩與梧州水位差值；ΔZ漲=(Zt梧州-Zt-3梧州）/2為梧州站前2 h的水位平均漲落率。

3.2 水位級差分析

表1 實測流量成果樣本表

根據(jù)梧州水文站大斷面圖分析，結(jié)合大斷面分別在3.25、4.8、6.5、13.5、15.2 m 處發(fā)生突變，將水位級分成Z梧州≤6.0 m、6.0 m＜Z梧州≤8.0 m、8.0 m＜Z梧州≤10.0 m、10.0 m＜Z梧州≤12.0 m、12.0 m＜Z梧州≤13.5 m、13.5 m＜Z梧州≤15.5 m、Z梧州＞15.5 m等7個類型。

4 多要素Z～Q關(guān)系構(gòu)建及應(yīng)用

4.1 按水位分級歸類樣本并構(gòu)建

按所確定的水位分級，將234 份流量施測成果按測時水位分別歸類到各水位級，其中：Z梧州≤6.0 m有 27 份，6.0 m＜Z梧州≤8.0 m 有 24 份，8.0 m＜Z梧州≤10.0 m 有 56 份，10.0 m＜Z梧州≤12.0 m 有 61 份，12.0 m＜Z梧州≤13.5 m有30份，13.5 m＜Z梧州≤15.5 m有16份，Z梧州＞15.5 m 有 20 份。為使所建的關(guān)系有代表性，各級樣本最好能有20組數(shù)據(jù)以上，若樣品不足，可增加取樣年限，最好是最近年份的。對各級采用電子表格LINEST 函數(shù)作分析，LINEST 函數(shù)是使用最小二乘法對已知數(shù)據(jù)進行最佳直線擬合[3]，并返回描述此直線的方程式及參數(shù)系數(shù)，從而求得各級組的Z～Q回歸方程式，即所需推求的多要素的Z～Q關(guān)系如下：

用所構(gòu)建的多要素Z～Q關(guān)系，即（2）～（8）式對選取的234 份實測流量樣本進行驗算，計算流量與實測值比較，誤差在5%以內(nèi)的有201 個測次，占85.9%，誤差在5%～8%之間的有30 個測次，占12.8%，誤差大于8%的有3個測次，占1.3%，最大點誤差為12.7%。同時不存在系統(tǒng)誤差，且符合適線檢驗要求，說明所構(gòu)建的多要素Z～Q關(guān)系是具有較好精度的。

4.2 采用2017年施測成果作校驗

2017年梧州水文站采用走航式ADCP 或流速儀測得流量93 份，為便于采用推求的Z～Q關(guān)系作校驗計算，將測驗成果按水位從低到高作排序，按水位級分別取相應(yīng)公式進行計算，成果見表2。

校驗計算流量成果與實測值進行比較，誤差在5%以內(nèi)的有76 個測次，占81.7%，誤差在5%～8%之間的有13 個測次，占14.0%，誤差大于8%的有4個測次，占4.3%，最大點誤差為10.2%。同時不存在系統(tǒng)誤差，且符合適線檢驗要求[4]，說明構(gòu)建的多要素Z～Q關(guān)系是可行的。

表2 取2017年施測成果作校驗計算表

4.3 在推算實時流量上應(yīng)用

現(xiàn)以2019年7月1日0時～31日23時梧州站如何采用本方法進行推算實時流量過程。計算落差，計算式為：ΔZt=Z龍圩t-Z梧州t；計算梧州站同時漲率，由于漲率是很敏感的參數(shù)，且大都采用浮子水位計采集，所采集的水位信息可能存在波浪影響要素而造成偽漲率值，為較好消除水位監(jiān)測時波浪的影響，故在漲率計算時采用前2 h 的均漲率，如7月1日12時漲率，ΔZ漲12=(Z梧12-Z梧10)/2，再按水位取相應(yīng)級的計算公式即可推求得到流量。計算中，在計算公式轉(zhuǎn)換處最好用兩公式值的均值，這有利于消除鋸齒態(tài)，使過程圓滑些。結(jié)果見表3及圖4。

表3 2019年7月1日0時～31日23時推流計算成果表

圖4 原報汛流量及計算流量過程線圖

從所構(gòu)建的多要素Z～Q關(guān)系應(yīng)用于推算流量成果看，與原報汛的流量值比較，更接近于實測值，說明所構(gòu)建的多要素Z～Q關(guān)系是有較好精度的，作為一種直接從監(jiān)測水位，通過水文學(xué)方法實現(xiàn)由水位在線推流的方法用于實時報汛是可行的，同時也可作為儀器測流的有效補充。多要素Z～Q關(guān)系建立后，只需作一些選擇性校測，有些變化也只需對參數(shù)系數(shù)略作修改，將能極大減少采用儀器測流次數(shù)，甚至可以實行間測[5]。

5 結(jié)論與建議

目前在廣西水文行業(yè)，Z～Q關(guān)系的構(gòu)建大都采用儀器施測散點構(gòu)建，這種方式難以做到實時在線，報汛上用結(jié)點推算流量，有時因不能及時換結(jié)點信息，流量信息誤差較大。實時在線報送流量上，基本是采用固定式水平ADCP，但由于種種原因，效果也不很明顯。本文所探討的方法是通過實測水位、上下游站同時水位落差、水位漲落率等多要素為參數(shù)，按水位分級法構(gòu)建水文站Z～Q關(guān)系，是一種新思路，方法在實際應(yīng)用上還不成熟，但從與2017年實測對比及應(yīng)用于2019年7月1日0時至31日23 時推流校驗看，是有良好效果的。建議有上下游高質(zhì)量水位監(jiān)測，且中間無急流、無跌水、兩站相距不太遠的測站可作此類分析研究。