張兆強(qiáng)，熊 輝

（德州市水文中心,山東 德州 253033）

0 引言

流量是體現(xiàn)流域水資源量利用程度的基本水文要素之一,也是進(jìn)行流域洪水預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)性因子,所預(yù)報(bào)的水位通常根據(jù)水位流量關(guān)系進(jìn)行反向推求。當(dāng)前,山東德州H水文站主要采用儀器施測(cè)點(diǎn)建立繩套水位流量關(guān)系曲線或應(yīng)用固定水平式ADCP進(jìn)行水位流量關(guān)系實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),但是在具體應(yīng)用中,其實(shí)時(shí)在線測(cè)流成果存在較大誤差,流量值也經(jīng)常發(fā)生突變。而采用儀器施測(cè)點(diǎn)所構(gòu)建的繩套水位流量關(guān)系曲線因同水位對(duì)應(yīng)多個(gè)流量值而極易造成應(yīng)用誤差,還無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)修正與換線,所產(chǎn)生的流量誤差較大。為此,本文以山東德州H水文站2015 年、2016年和2018年20 m以上高水走航式ADCP施測(cè)流量成果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),按照水位進(jìn)行分級(jí),并以德州H水文站現(xiàn)時(shí)水位,該水文站與其輔助水文站水位落差及該站前2 h水位漲落率均值等為參數(shù)進(jìn)行了該水文站水位流量關(guān)系的構(gòu)建,以便根據(jù)實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)信息獲取流量成果。

1 水文站概況

山東衛(wèi)運(yùn)河全長(zhǎng)2041 km,河道坡降均值為0.56%,流域面積331520 km2,該流域最大的H水文站是衛(wèi)運(yùn)河流域重要的控制站,其自1973年建站以來(lái)幾經(jīng)遷移,在此后運(yùn)行的過(guò)程中,洪峰流量在500 m3/s以上的年份很少,大多數(shù)年份斷面均處于小流量情況,該測(cè)站屬于所在流域防汛專用站。該水文站水文監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括水位、流量、降水、蒸發(fā)、含沙量、水文、水質(zhì)等。當(dāng)前該站主要采用水平固定式ADCP及走航式ADCP測(cè)驗(yàn)設(shè)施,主要通過(guò)浮子式水位計(jì)進(jìn)行水位監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)在線測(cè)流成果普遍存在較大的不確定性及嚴(yán)重的瞬時(shí)突變。根據(jù)對(duì)該水文站2019年2月~3月水位流量過(guò)程的分析可以看出,洪水漲落對(duì)其水位流量關(guān)系影響較大,流量增減過(guò)程十分顯著；漲水時(shí)水位流量關(guān)系點(diǎn)子偏右,而落水時(shí)水位流量關(guān)系點(diǎn)子偏左,峰谷水位流量關(guān)系點(diǎn)子居中,按照時(shí)間次序?qū)⒏鼽c(diǎn)子連接后發(fā)現(xiàn),其主要表現(xiàn)為以峰谷為軸線的逆時(shí)針繩套曲線：?jiǎn)畏鍨閱翁?疊加峰為復(fù)式套［1］。以該水文站上游相距7.4 km的K水位監(jiān)測(cè)站為本文分析的輔助參證站。

2 水文站流量測(cè)驗(yàn)成果分析

2.1 樣本資料

選擇德州H水文站2015年、2016年和2018 年20 m以上高水走航式ADCP施測(cè)流量成果,共包括225 份流量施測(cè)成果樣本。依據(jù)樣本資料構(gòu)建包括該水文站水位、水位差、水位漲落率等參數(shù)在內(nèi)的水位~流量關(guān)系曲線,具體如下：

式中：Z t為德州H水文站現(xiàn)時(shí)水位,m；ΔZ為德州H水文站與其輔助水文站水位落差,m；ΔZ漲為德州H水文站前2 h水位漲落率均值,%。

2.2 水位級(jí)差分析

根據(jù)德州H水文站大斷面示意圖（圖1）中存在的起點(diǎn)距突變點(diǎn),將水位級(jí)劃分為以下幾個(gè)階段：Z≤6.0 m,6.0 m＜Z≤7.5.0 m,7.5 m＜Z≤9.5 m,9.5 m＜Z≤11.5 m,11.5 m＜Z≤14.0 m,14.0 m＜Z≤16.0 m,Z＞16.0 m。

圖1 德州H水文站大斷面示意圖

3 水位~流量關(guān)系構(gòu)建

3.1 樣本歸類

根據(jù)所進(jìn)行的水位級(jí)劃分情況,可以將225 份流量施測(cè)成果樣本進(jìn)行所屬水位級(jí)的歸類,其中Z≤6.0 m段包括25組樣本數(shù)據(jù),6.0 m＜Z≤7.5.0 m段包括21組樣本數(shù)據(jù),7.5 m＜Z≤9.5 m段包括50 組樣本數(shù)據(jù),9.5 m＜Z≤11.5 m組包括58份樣本數(shù)據(jù),11.5 m＜Z≤14.0 m組包括27份樣本數(shù)據(jù),14.0 m＜Z≤16.0 m組包括20份樣本數(shù)據(jù),Z＞16.0m段包括24 組樣本數(shù)據(jù)。為保證所構(gòu)建的水位流量關(guān)系的代表性,各級(jí)樣本數(shù)據(jù)均應(yīng)在20 組及以上,并采用Excel表格LINEST函數(shù)［2］進(jìn)行各級(jí)樣本數(shù)據(jù)分析。LINEST函數(shù)主要應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)線性擬合,同時(shí)對(duì)線性方程式及所涉及參數(shù)系數(shù)進(jìn)行描述,以得出各組樣本數(shù)據(jù)的水位~流量回歸方程。結(jié)果如下：

針對(duì)以上所構(gòu)建的不同水位級(jí)水位流量關(guān)系式,通過(guò)對(duì)225份實(shí)側(cè)流量樣本數(shù)據(jù)的驗(yàn)算發(fā)現(xiàn),水位流量關(guān)系式所測(cè)算的流量與實(shí)測(cè)流量相比,兩者誤差不超出5%的樣本有198組,占比為88%；誤差在5%~7%之間的樣本有17組,占比為7.56%；其余組誤差均在7%以上,占比為4.44%。不存在系統(tǒng)誤差,并滿足適線檢驗(yàn)要求,表明本文所構(gòu)建的德州H水文站水位~流量關(guān)系曲線精度較好。

3.2 水位~流量關(guān)系的校驗(yàn)

2018年山東德州H水文站取得走航式ADCP測(cè)流數(shù)據(jù)95份,為方便進(jìn)行水位~流量關(guān)系的校驗(yàn),先將測(cè)流數(shù)據(jù)按照實(shí)際水位由低向高排序,并結(jié)合本文所提出的水位等級(jí)劃分公式進(jìn)行流量計(jì)算,計(jì)算結(jié)果具體見表1。

表1 2018年山東德州H水文站測(cè)流數(shù)據(jù)校驗(yàn)

將表中計(jì)算流量成果校驗(yàn)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較可以得出,兩者誤差不超出5%的樣本有72組,占比75.79%；誤差在5%~7%之間的樣本共有14組,占比14.74%；剩余樣本誤差在7%以上,占比9.47%；最大點(diǎn)誤差9.94%,且無(wú)系統(tǒng)誤差,滿足適線檢驗(yàn)相關(guān)要求,表明本文所構(gòu)建的德州H水文站水位~流量關(guān)系切實(shí)可行。

3.3 實(shí)時(shí)流量推算

進(jìn)行2020年7月1日0時(shí)~7月31日23時(shí)德州H水文站如何應(yīng)用本文所提出的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)流量推算過(guò)程的分析：先計(jì)算德州H水文站和輔助水文站水位的落差,再計(jì)算德州H水文站水位漲落率,因水位漲落率屬于敏感性較強(qiáng)的參數(shù),且通常通過(guò)浮子水位計(jì)進(jìn)行采集,所獲取的水位數(shù)據(jù)可能因波浪等原因而出現(xiàn)偽漲落率情況,為消除波浪等因素對(duì)水位監(jiān)測(cè)結(jié)果的不利影響,應(yīng)計(jì)算前2 h的漲落率均值,再根據(jù)相應(yīng)等級(jí)水位~流量關(guān)系公式進(jìn)行流量推求。為消除鋸齒態(tài)［3］因素,保證水位~流量關(guān)系線平順圓滑,還應(yīng)在不同水位級(jí)公式轉(zhuǎn)換處采用兩公式取值的均值。2020年7月1日0時(shí)~7月31日23時(shí)德州H水文站實(shí)時(shí)流量推算結(jié)果見圖2。

圖2 德州H水文站原報(bào)汛流量和實(shí)時(shí)流量推算結(jié)果

從所構(gòu)建水位~流量關(guān)系應(yīng)用于流量成果推算的實(shí)踐來(lái)看,推算結(jié)果比原報(bào)汛流量值更接近實(shí)測(cè)值,說(shuō)明所構(gòu)建的水位~流量關(guān)系曲線精度較高,也說(shuō)明直接根據(jù)監(jiān)測(cè)水位,通過(guò)水文學(xué)分析方法進(jìn)行水位在線推流及實(shí)時(shí)報(bào)汛的做法切實(shí)可行,并能為儀器測(cè)流結(jié)果提供補(bǔ)充。應(yīng)用本文所提出的水位~流量關(guān)系曲線時(shí)僅需進(jìn)行一些選擇性校測(cè),并略微修正參數(shù)系數(shù),便能減少儀器測(cè)流次數(shù),并能有效進(jìn)行間測(cè)。

4 結(jié)論

綜上所述,常規(guī)的水位~流量關(guān)系曲線的構(gòu)建通常基于儀器施測(cè)散點(diǎn),這種做法很難保證水位流量關(guān)系實(shí)時(shí)在線,通過(guò)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量推算報(bào)汛的做法受到結(jié)點(diǎn)信息無(wú)法及時(shí)更換的影響較大。流量實(shí)時(shí)在線報(bào)送也主要以固定式水平ADCP測(cè)流成果為主,在諸多因素的影響下,效果也并不理想。本文所提出的通過(guò)水位分級(jí)法并主要選取實(shí)測(cè)水位、上下游水文站同水位落差、水位漲落率等參數(shù)進(jìn)行水文站水位流量關(guān)系的構(gòu)建方式在應(yīng)用上還不夠成熟,但是從本文所進(jìn)行的德州H水文站2018年實(shí)測(cè)對(duì)比及2020年7月1日0時(shí)~7月31日23時(shí)的推流校驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果來(lái)看,應(yīng)用效果較好。本文所提出的水文站水位~流量關(guān)系曲線的構(gòu)建方法對(duì)于上下游水位監(jiān)測(cè)質(zhì)量較高,且中間無(wú)跌水、無(wú)急流,觀測(cè)水文站和輔助水文站距離較近的測(cè)站較為適用。