（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江三峽水文水資源勘查局，湖北宜昌 443000）

1 測(cè)站概況

宜昌水文站（以下簡(jiǎn)稱“宜昌站”）位于長(zhǎng)江中游干流上段，是長(zhǎng)江三峽水利樞紐（宜昌斷面上游44 km））和葛洲壩水利樞紐（宜昌斷面上游6 km）的出庫站，控制流域面積1 005 501 km2，約占長(zhǎng)江流域集水面積的55.8%。測(cè)驗(yàn)河段基本順直，斷面較為穩(wěn)定，近年來因上游來沙減少導(dǎo)致河段河床下切現(xiàn)象逐漸趨于平衡。長(zhǎng)期以來，宜昌站為長(zhǎng)江河道演變觀測(cè)、中下游防洪抗旱、葛洲壩及三峽水利樞紐工程建設(shè)及運(yùn)行提供了大量珍貴翔實(shí)的第一手水文資料。

宜昌站總體受長(zhǎng)河槽控制，水位流量關(guān)系影響因素較多，主要受洪水漲落、斷面沖淤、葛洲壩水利樞紐調(diào)度、下游清江洪水頂托等因素影響，中高水水位流量關(guān)系呈逆時(shí)針繩套曲線，低水一般為單一線。近年來，隨著三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度趨于常態(tài)，宜昌站水位流量關(guān)系臨時(shí)曲線增多。宜昌站所在測(cè)驗(yàn)河段見圖1。

2 目前的整編方法及存在的問題

圖1 宜昌站所在測(cè)驗(yàn)河段示意

多年來，宜昌站一直按連時(shí)序法進(jìn)行流量資料整編。2009年在開展測(cè)次精簡(jiǎn)以后，實(shí)測(cè)流量年測(cè)次仍達(dá)80次之多，耗費(fèi)了大量人力物力，測(cè)次優(yōu)化效果不明顯，同時(shí)因三峽-葛洲壩聯(lián)合調(diào)度帶來的影響對(duì)水位流量關(guān)系定線的難度增大。

主要難點(diǎn)包括：①漲落速度比較快，常出現(xiàn)連續(xù)十幾個(gè)小時(shí)上漲或者變幅3～4 m，難以掌握測(cè)次時(shí)機(jī)，有效流量測(cè)次仍無法滿足定線要求。②葛洲壩電站日調(diào)節(jié)非常頻繁且周期性強(qiáng)（周期約24 h）。通過實(shí)測(cè)資料顯示，宜昌站每日約06：00～18：00漲水，18：00～次日06：00退水，這也導(dǎo)致近幾年宜昌站實(shí)測(cè)流量主要分布在漲水面，產(chǎn)生汛期宜昌站與清江高壩洲站水量之和大于枝城站水量的不合理現(xiàn)象，且該現(xiàn)象還逐漸向非汛期拓展。

為摸清宜昌站水流特性新變化，2017年8月28日06：00～18：00宜昌站開展了斷波流量試驗(yàn)[1]。葛洲壩電站連續(xù)加大下泄流量的同時(shí)，在宜昌站斷面采用走航式ADCP進(jìn)行連續(xù)流量測(cè)驗(yàn)，12 h內(nèi)施測(cè)流量81次，試驗(yàn)期間水位從44.12 m漲至46.96 m，宜昌站按照常規(guī)測(cè)驗(yàn)也布置了4個(gè)流量測(cè)次。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)兩種測(cè)驗(yàn)方法形成的流量過程進(jìn)行水量計(jì)算，連時(shí)序法時(shí)段徑流量為10.56億m3，連續(xù)測(cè)流法時(shí)段徑流量為10.12億m3，12 h兩者相差0.44億m3，水量相差較大，說明連時(shí)序法布點(diǎn)和整編對(duì)實(shí)際流量過程控制并不完全精確，同時(shí)也了解到水工程調(diào)度對(duì)該斷面流量過程的影響非常明顯（見圖2）。

圖2 斷波流量試驗(yàn)與連時(shí)序法定線水位流量關(guān)系

綜上所述，在現(xiàn)有整編方法下，通過增加外業(yè)測(cè)驗(yàn)測(cè)次并不能有效解決水位流量關(guān)系精度和上下游水量不合理的問題。因此，開展不同流量整編方法分析，提高宜昌站推流精度，減輕測(cè)驗(yàn)工作強(qiáng)度很有必要。

3 不同流量整編方法應(yīng)用

落差指數(shù)法定線推流適用于受變動(dòng)回水影響、測(cè)驗(yàn)河段宜順直、河槽基本穩(wěn)定、落差具有代表性的測(cè)站；連時(shí)序法定線推流適用于受一種或多種因素影響的測(cè)站，應(yīng)具有較多的流量測(cè)次且能控制水位流量關(guān)系變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；連實(shí)測(cè)流量過程線法適用于受多種因素影響流量、測(cè)點(diǎn)密集能滿足推算逐日流量和各項(xiàng)平均值的要求的測(cè)站。本文連實(shí)測(cè)流量過程線法采用兩種實(shí)測(cè)流量比較，即H-ADCP實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)間隔為1 min）和葛洲壩出庫流量數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)間隔為2 h）。

多年來，宜昌站一直按照連時(shí)序法定線要求布置外業(yè)測(cè)次并整編，單一線與繩套結(jié)合，部分時(shí)間段在單一線上推流，其他時(shí)間段按照繩套曲線推流。近年來，宜昌站分別開展了落差指數(shù)法、連實(shí)測(cè)流量過程線法（H-ADCP流量）、連實(shí)測(cè)流量過程線法（葛洲壩出庫流量）等整編方法，試圖通過不同測(cè)驗(yàn)方式和整編方法來分析研究宜昌站流量變化情況，為下一步改進(jìn)測(cè)驗(yàn)方式，提高流量整編精度奠定基礎(chǔ)。本文用其他3種方法與連時(shí)序法整編成果對(duì)照分析，以尋求更優(yōu)的宜昌站流量整編方案。

3.1 落差指數(shù)法

2012年，宜昌站就采用綜合落差指數(shù)法開展水位流量關(guān)系單值化研究，2016年又在原有分析基礎(chǔ)上進(jìn)行了下游輔助站的調(diào)整。在目前的單值化方案中，上游輔助站為葛洲壩8號(hào)水位站，下游輔助站考慮了清江入?yún)R，選擇清江入?yún)R長(zhǎng)江處上游3 km的楊家咀站水位與枝城站水位組合建立下游綜合輔助站[2]。

具體方案如下：

式中，Z3為宜昌下輔站水位，m；Z2為枝城站水位，m；Z4為楊家咀站水位，m；R1、R2為綜合落差系數(shù)，分別取0.854、0.146；q為校正流量，m3/s；Qm為實(shí)測(cè)流量，m3/s；Z0為宜昌水文站水位，m；Z1為葛洲壩8號(hào)站水位，m。

根據(jù)上述方案，建立2010～2018年水位-校正流量關(guān)系線，各年關(guān)系檢驗(yàn)均合格，滿足相關(guān)的水文整編規(guī)范要求；能通過符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離數(shù)值檢驗(yàn)，系統(tǒng)誤差≤±2%，隨機(jī)不確定度≤±10%。

采用該單值化方案，對(duì)2010～2018年資料進(jìn)行整編，并與連時(shí)序法建立的水位流量關(guān)系分別推流，年特征值統(tǒng)計(jì)見表1。

從表1可以看出，年徑流量相對(duì)誤差較小，符合SL 247-2012《水文資料整編規(guī)范》中“不同方法計(jì)算年徑流量相對(duì)誤差不超過±3%”要求[3]，方案適應(yīng)性較好。在斷面較為穩(wěn)定的情況下，宜昌站采用水位流量單值化方案進(jìn)行流量整編和報(bào)汛是可行的，可節(jié)省大量人力物力；也可作為一種分析方法來校測(cè)現(xiàn)有流量測(cè)驗(yàn)結(jié)果，解決流量測(cè)驗(yàn)中的問題，分析水流特性變化，保證流量測(cè)驗(yàn)與整編的精度。

3.2 連實(shí)測(cè)流量過程線法（H-ADCP流量）

H-ADCP在線流量監(jiān)測(cè)主要是通過收集數(shù)據(jù)，選取合適的單元層組合流速作為指標(biāo)流速，與常規(guī)測(cè)流得到的實(shí)測(cè)斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系。在關(guān)系穩(wěn)定、精度較高情況下，以指標(biāo)流速推求斷面平均流速，再用斷面平均流速與斷面面積求得斷面流量，將斷面流量采用連實(shí)測(cè)流量過程線法進(jìn)行整編[4]。

表1 落差指數(shù)法與連時(shí)序法年特征值誤差統(tǒng)計(jì)

考慮到近年來宜昌斷面較為穩(wěn)定，2016年宜昌站在斷面右岸安裝了一臺(tái)H-ADCP，經(jīng)過調(diào)試，2017年開始比測(cè)，到2018年底共收集了2017年3～10月、2018年3～7月共13個(gè)月有效數(shù)據(jù)。

從2017～2018年H-ADCP采集的數(shù)據(jù)中提取指標(biāo)流速與同時(shí)段常規(guī)測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)斷面平均流速建立線性關(guān)系（見表2），兩條線相關(guān)性均較好，系統(tǒng)誤差小于±2%，滿足規(guī)范要求。但由于存在個(gè)別測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較大，隨機(jī)不確定度大于10%，超出規(guī)范要求。用線性關(guān)系公式計(jì)算流量過程線，采用連實(shí)測(cè)流量過程線法進(jìn)行資料整編，得到的流量成果與連時(shí)序法整編流量成果比較（見表3）。由表3可知，2017～2018年H-ADCP月徑流量誤差均在±4%以內(nèi)，多月平均徑流量誤差為-1.6%。

表2 2017～2018年指標(biāo)流速與斷面流速定線參數(shù)

3.3 連實(shí)測(cè)流量過程線法（葛洲壩出庫流量）

采用葛洲壩出庫流量作為實(shí)測(cè)流量進(jìn)行計(jì)算。葛洲壩出庫流量是根據(jù)葛洲壩水利樞紐運(yùn)行調(diào)度情況，查算相應(yīng)的樞紐設(shè)計(jì)泄流曲線資料，按時(shí)段計(jì)算葛洲壩總的出、入庫流量，時(shí)段間隔一般為2 h，即計(jì)算12次/d葛洲壩出、入庫流量。將葛洲壩出庫流量采用連實(shí)測(cè)流量過程線法進(jìn)行整編。

根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局2016～2017年開展的葛洲壩泄流曲線現(xiàn)場(chǎng)率定試驗(yàn)結(jié)果[1]，泄流曲線流量與宜昌站實(shí)測(cè)流量相對(duì)誤差在-5.8%～8.6%之間，平均相對(duì)誤差2.2%（查算泄流曲線偏大），關(guān)系線系統(tǒng)誤差為2.0%，隨機(jī)不確定度為7.3%，滿足相關(guān)規(guī)定的精度要求。

表3 2017～2018月徑流量誤差統(tǒng)計(jì)

分析2016年連時(shí)序法和水工建筑法計(jì)算的葛洲壩出庫流量過程線（見圖3），可知兩者流量過程非常吻合，能較好地反映流量各場(chǎng)次洪水漲落變化。當(dāng)葛洲壩出庫流量約小于16 000 m3/s時(shí)，宜昌站流量略大于葛洲壩出庫流量，反之則偏小。

選取2010～2018年葛洲壩出庫流量進(jìn)行整編，并與連時(shí)序法整編數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，年平均徑流量相對(duì)誤差為-3.5%～-0.6%，略大于整編規(guī)范不超過3%的要求，最大流量相對(duì)誤差為-1.3%～4.5%，最小流量相對(duì)誤差為-10.7%～-3.2%，見表4。

將2010～2018年的連時(shí)序法計(jì)算的洪水摘錄表中的流量與葛洲壩出庫流量（采用直線內(nèi)插與連時(shí)序法時(shí)間同步）建立線性關(guān)系（見表5）。近9 a的線性關(guān)系相關(guān)性均在0.98以上，系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差滿足一類精度站水力因素法相關(guān)要求，定線三項(xiàng)誤差檢驗(yàn)（適線檢驗(yàn)、符號(hào)檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)）均通過。綜合線見圖4。

表4 葛洲壩出庫流量與連時(shí)序法年特征值誤差統(tǒng)計(jì)

圖3 2016年宜昌站連時(shí)序法流量與葛洲壩出庫流量過程線比較

表5 2010～2018年葛洲壩出庫流量與連時(shí)序法流量定線公式參數(shù)

4 洪水過程分析

圖4 2010～2018年葛洲壩出庫流量與連時(shí)序法流量綜合關(guān)系線

為驗(yàn)證落差指數(shù)法、H-ADCP流量過程線法、葛洲壩出庫流量3種方案推求洪水過程的可靠性。選擇2018年一場(chǎng)完整的洪水漲落過程04月24日00：00～06月12日00：00，水位變幅范圍為41.00～46.60 m。采用2018年連時(shí)序法洪水要素摘錄表中時(shí)段推流。其中，落差指數(shù)法、H-ADCP流量過程線法與連時(shí)序法同步，葛洲壩出庫流量原數(shù)據(jù)為固定間隔2 h流量數(shù)據(jù)，采用直線插補(bǔ)后時(shí)間與其他3種同步。洪水過程見圖5，計(jì)算的洪水摘錄流量與日平均流量誤差見表6。從圖5可以看出，4種方法推流變化過程較為吻合，最大流量均出現(xiàn)在5月25日，變化趨勢(shì)基本一致，無論是漲水面、落水面還是水位平穩(wěn)期，各變化特征基本能反映同場(chǎng)次洪水的特性。

表6中系統(tǒng)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，落差指數(shù)法最小，H-ADCP流量過程線法次之，葛洲壩出庫流量最大。其中，落差指數(shù)法統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)不確定度均滿足規(guī)范要求；H-ADCP流量過程線法系統(tǒng)誤差滿足要求，但隨機(jī)不確定度超限；葛洲壩出庫流量系統(tǒng)誤差與隨機(jī)不確定度均超出規(guī)范要求。

葛洲壩出庫流量與宜昌站流量測(cè)驗(yàn)斷面距離6 km，傳播時(shí)間較短，斷波短距離影響不一致，使得洪水摘錄流量、日平均流量相對(duì)誤差較大，但年徑流量誤差較小，且流量過程比較相應(yīng)。

表6 3種整編方法與連時(shí)序法洪水過程誤差統(tǒng)計(jì)

H-ADCP在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過程中，存在個(gè)別測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差較大。從表6可以看出，H-ADCP實(shí)測(cè)流量過程線誤差最大。同時(shí)，H-ADCP收集的流量數(shù)據(jù)略低于其他方法，這種實(shí)際情況正好可以彌補(bǔ)宜昌站實(shí)測(cè)點(diǎn)主要集中在漲水面，18：00到次日06：00退水面實(shí)測(cè)流量測(cè)次不足，導(dǎo)致定線推流偏大的缺陷。

圖5 2018年04月24日～06月12日4種整編方法洪水過程對(duì)照

圖6 2018年年最大洪峰4種整編方法洪水過程線

5 與下游水量比較

將2014～2017年實(shí)測(cè)資料，用落差指數(shù)法、連實(shí)測(cè)流量過程線法（葛洲壩出庫流量）、連時(shí)序法整編計(jì)算的年徑流量，加上清江入?yún)R的高壩洲站年徑流量與枝城水文站年徑流量進(jìn)行相對(duì)誤差計(jì)算（見圖7）。高壩洲站采用連實(shí)測(cè)流量過程線法（H-ADCP）整編推流，2014年前高壩洲站未采用H-ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整編，未采用2014年前資料。枝城站采用連時(shí)序法定線推流。

由圖7可看出，這4 a中，采用連時(shí)序法計(jì)算流量最大，其次是落差指數(shù)法、連實(shí)測(cè)流量過程線法（葛洲壩出庫流量），采用葛洲壩出庫流量推流基本能達(dá)到水量平衡。從表1、表4流量特征值統(tǒng)計(jì)中也可看出，近9 a來，落差指數(shù)法、葛洲壩出庫流量法計(jì)算年徑流量幾乎全部小于連時(shí)序法計(jì)算結(jié)果，具體原因還需結(jié)合工程調(diào)度引起的斷波流量在近壩段影響開展深入分析。

圖7 不同整編方法在宜昌至枝城河段水量比較

6 結(jié)論與建議

落差指數(shù)法、連實(shí)測(cè)流量過程線法（H-ADCP在線監(jiān)測(cè)流量）、連實(shí)測(cè)流量過程線法（葛洲壩出庫流量）與連時(shí)序法進(jìn)行比較，流量過程較為一致，流量特征值誤差較小。

落差指數(shù)法建立的水位－校正流量關(guān)系可基本滿足現(xiàn)行水文整編規(guī)范要求，如投產(chǎn)使用，流量測(cè)次可以從目前的80次減至30～50次，大幅度減少了勞動(dòng)強(qiáng)度。

由于目前收集的H-ADCP在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限，還需結(jié)合今后收集到的完整年系列數(shù)據(jù)開展進(jìn)一步分析。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析H-ADCP監(jiān)測(cè)流量過程，峰谷略低于其他3種方法，在下一步工作中，可以考慮采用H-ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)實(shí)測(cè)流量在18：00～06：00退水面上測(cè)次不足的缺陷。

采用連實(shí)測(cè)流量過程線法（葛洲壩出庫流量）計(jì)算葛洲壩出庫年徑流量，誤差基本滿足規(guī)范要求，近年來與宜昌站日平均流量線性關(guān)系相關(guān)性較好，而且，三性檢驗(yàn)、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)不確定度均滿足規(guī)范要求，可作為現(xiàn)有流量整編方法的一種補(bǔ)充。