◎李海露

一、引言

在眾多相關(guān)水文數(shù)據(jù)當(dāng)中，河水流量是基本也是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)類型，其具體數(shù)值主要通過河道中的水文控制斷面相對應(yīng)的水位-流量關(guān)系線所計算得出。超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線模型的成功擬定，將可以及時有效的發(fā)揮各地水文測站的作用，能夠在未來面對大規(guī)模超標(biāo)暴雨洪水時，及時快速地測算出洪水水位的相關(guān)信息，為防洪工作提供重要的保障，有效避免出現(xiàn)洪水災(zāi)害問題。

二、超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系分析

超標(biāo)斷面洪水水位流量關(guān)系公式主要利用流量與某一斷面的水位建立而成的，表示被測水文站基本水尺斷面，經(jīng)過該斷面的實測最大流量值與該斷面水位之間關(guān)系的公式。若所要求觀測區(qū)域的實際水位位置與實際測流點不相屬在同一個水文斷面，兩個水文斷面位置之間的距離比較近，中間若沒有其他河道分流點或有支流的匯入，則又可視為直接的在這其中建立的水位流量關(guān)系。在確定水位流量關(guān)系中，需要對流量進(jìn)行實測并確定相應(yīng)水位，由于河流處于不斷變化的狀態(tài)，因此在分析水位流量關(guān)系時其中的特征參數(shù)也會不斷發(fā)生變化，這最主要是由沖刷或淤積等情況導(dǎo)致的。除此之外，水生植物、冰蓋、砂石等也會一定程度上引起關(guān)系特征的變化。根據(jù)河床穩(wěn)定性程度可以將水位流量關(guān)系分成穩(wěn)定關(guān)系和不穩(wěn)定關(guān)系。對于上述不同流量河段站而言，自然天氣因素變動和自然人為活動影響等情況都會共同影響到水位流量關(guān)系。

在穩(wěn)定水位流量關(guān)系下，會呈現(xiàn)出一條近似于拋物線的單一曲線。對于該關(guān)系線的分析應(yīng)先目測估算，在點群中心位置處擬定一條線，并能確保其中的檢測點在關(guān)系曲線上兩側(cè)都均勻的分布，使用點群分組和計算重心的方法來確定關(guān)系線。在一個初步確定的水位曲線范圍處劃分出一個或多個穩(wěn)定水位級，并可在以上各穩(wěn)定水位級下的同一穩(wěn)定水位級處分別將在其中確定的恒定流速、流量和面積讀出并分析其中的關(guān)系，控制其中的誤差小于3%，在此基礎(chǔ)上計算不確定度，將誤差控制在2%內(nèi)。不穩(wěn)定水位流量關(guān)系下，所要呈現(xiàn)出的水位曲線表現(xiàn)為形狀起伏不唯一且水位變化很復(fù)雜的一條直線或多條水平曲線。由于影響因素的不同，水位流量關(guān)系曲線中的測點及其分布和狀態(tài)情況也都有所的不同，在分析水位流量關(guān)系時需控制同一區(qū)域內(nèi)的水文站測點變動因素，使其保持一致，并在相對穩(wěn)定期間內(nèi)測出水位流量關(guān)系情況。對于其中斷面變化的時期，可以采用自然過渡或內(nèi)插過渡等方式結(jié)合水位變化情況和測點分布情況判斷水位流量關(guān)系。

三、超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系定線技巧

超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系定線中，對流量數(shù)據(jù)信息的測量是重點，因此在對相關(guān)信息整合處理時，需要包括對實測數(shù)據(jù)的整理和大斷面成果數(shù)據(jù)的整理，繪制相應(yīng)的水位面積、水位流量和水位流速等關(guān)系曲線，并對關(guān)系曲線進(jìn)行檢驗。對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，對平均流量和水文要素表等加強(qiáng)分析和檢查。在水位流量關(guān)系定線前必須加強(qiáng)對流量資料的整編，使上述提到的各過程相互進(jìn)行。在資料編制整合完成后，繪制相關(guān)水位變化的曲線，將其中的數(shù)據(jù)自動整合加工和分析。在此過程中，還需要加強(qiáng)對測站特征的了解，分析測驗方法的標(biāo)準(zhǔn)程度，對當(dāng)?shù)氐乃橛绕浜樗闆r等加強(qiáng)調(diào)查研究。以此為基礎(chǔ)，認(rèn)真審查流量信息和材料，保證信息的準(zhǔn)確性和真實性后再開展后續(xù)工作。

針對穩(wěn)定水位流量關(guān)系主要表現(xiàn)為測站控制程度較高，水位流量關(guān)系變化影響因素基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，即使其中的影響因素變化，隨著水位發(fā)生變化，其中的影響因素之前也能相對互補(bǔ)，同樣使水位流量關(guān)系線為單一曲線。在這種情況下，要想選擇合適的測站位置需要考慮多方面因素。針對于本身不夠穩(wěn)定但因經(jīng)過特定處理或引入水力因素后呈現(xiàn)出穩(wěn)定關(guān)系的情況，在編制中要對其特殊說明，對其中所通過哪種處理關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)說明，加強(qiáng)對相關(guān)基礎(chǔ)資料的研究和剖析。

針對不穩(wěn)定水位流量關(guān)系，其受到更多因素的影響，且受到影響因素不同會呈現(xiàn)出不同的測點分布狀態(tài)。若是受到?jīng)_淤影響，同一水位的面積會增大或減小，水位流量關(guān)系會隨之發(fā)生變化；受到洪水漲落的影響時，洪水波產(chǎn)生的附加比降發(fā)生變化，導(dǎo)致水位相同情況下，洪水流速增大，流量也會相對增大，反之流量會減小，漲水點和落水點也會出現(xiàn)偏移情況，導(dǎo)致水位流量關(guān)系線出現(xiàn)變化。若是受到水生植物的影響，在其生長期內(nèi)，過水面積減小，糙率增大，水位流量關(guān)系線中的點分布會逐漸向左偏移，在水生植物枯竭期，該影響減小或消失，水位流量關(guān)系線中的點分布也會逐漸向右偏移。

對于水位流量關(guān)系定線推流方法的選擇和操作技巧，以單一線為例，應(yīng)根據(jù)測站的特征情況，采用數(shù)學(xué)模型或插值法完成曲線的擬定。使用單一曲線法推流需要對其進(jìn)行單值化處理，通常使用流率表或多項式方程方法進(jìn)行處理，表現(xiàn)出水位流量的單一關(guān)系。使用單一水位流量關(guān)系定線的主要原則在于：1.全年實測流量點應(yīng)能控制當(dāng)年水位變幅75%左右，高水延長不能大于20%，低水區(qū)延長控制在5%以內(nèi)。2.在實測流量中，年頭與年末銜接的位置要繪制上年末和下年初各1-3個測點，且保證接頭位置測點的精確度，一類精度站不應(yīng)大于±3%，其他站不應(yīng)大于±5%。（單值化處理的站可放寬至±5%）。3.關(guān)系曲線在繪制的過程中應(yīng)經(jīng)過點群的中心，保證曲線的連續(xù)性和圓滑性，各點之間自然連接，不能出現(xiàn)反曲的情況。對于所有水位流量關(guān)系點中分布較為異常的測點要深入分析其異常原因，若是由水力因素所導(dǎo)致的異常情況，可作為可靠資料，需要對其進(jìn)一步分析，計算和檢驗其中存在的錯誤數(shù)據(jù)信息等，若屬于計算或測驗方面的錯誤，則應(yīng)予以改正，并對曲線加以調(diào)整，無法改正的，予以舍棄并做相應(yīng)說明。在此過程中，使用單一曲線進(jìn)行定線推流的測站要保證其分布的均勻合理性，并確保漲落水面測次分布的均勻性，控制好相鄰測點之間的距離分布。在完成以上工作后，進(jìn)行隨機(jī)不確定度和標(biāo)準(zhǔn)差的計算和檢驗，確保其符合精準(zhǔn)要求。具體來說，使用單一曲線法進(jìn)行定線工作時，其中流速儀法測流定線精度應(yīng)該符合定線精度指標(biāo)如下表。

?

四、超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法

將以上研究作為基礎(chǔ)，分析超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線的擬定方法。為了能促使今后在同一汛期內(nèi)各個水文測站內(nèi)超標(biāo)洪水等級的聯(lián)合測報等工作得到有序協(xié)調(diào)開展，必須首先根據(jù)自身現(xiàn)有能力需求，對各種超標(biāo)的洪水水位流量關(guān)系線圖加以分類擬定，并逐步將其指標(biāo)作為各類水文站觀測的主要重點或衡量參考指標(biāo)，等級進(jìn)行合理劃分，以此逐步確定測算出相應(yīng)具體級別的最高水位流量和最小流量節(jié)點，以此數(shù)據(jù)作為決策重要基礎(chǔ)依據(jù)和制定了相應(yīng)科學(xué)的綜合測報方案。對此，本文以安徽省安慶市的十處水文站作為主要案例進(jìn)行分析。

1.多年綜合線法

由于安徽省安慶市地區(qū)在近幾年基本上屬于平水年份，因此對其中的監(jiān)測站網(wǎng)基本是沒有可能出現(xiàn)大面積超標(biāo)或洪水泛濫的異常情況，所以筆者在實際繪制水位流量關(guān)系線時，對其中的低中水位部分和高中高水位部分是參考了2020年汛期及汛前連續(xù)三年出現(xiàn)的大流量數(shù)據(jù)情況，中高水位部分則是完全參照了歷年來所出現(xiàn)的斷面情況，分析研究大水?dāng)?shù)據(jù)以及實測數(shù)據(jù)情況。其次，要對所選擇的材料進(jìn)行綜合性分析，繪制整理出了相應(yīng)類型的河流水位面積關(guān)系圖、水位變化和平均流速關(guān)系圖、水位變動和斷面最大水位流速關(guān)系圖以及斷面水位流量關(guān)系圖等，保證中高水區(qū)域的水位數(shù)量關(guān)系多年綜合線的精確度。在繪制多年綜合線時，要在對以上各類實測數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)上進(jìn)行，并根據(jù)測站的實際情況繪制相應(yīng)的水位流量關(guān)系線，其中在將中高水區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)在關(guān)系線上表現(xiàn)出來，并在電腦繪制后分析所繪制的關(guān)系線合理程度。通常來說，在中高水區(qū)域的流量面積保持與大水時期的平均流速相一致的變化趨勢，能夠有利于所繪制的關(guān)系線更符合測站的特征，在超標(biāo)洪水測報時，使用多年綜合線能夠使分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。

2.曼寧公式法

曼寧公式法主要在于在使用流速儀測量測速時，會存在一定的難度，需要利用特殊情況下的測量手段，該方法又被稱為比降面積法。應(yīng)用曼寧公式法就可以先通過對實測流量數(shù)據(jù)資料進(jìn)行的分析而推測得出實際糙率情況，對于那些缺少了實測流動數(shù)據(jù)資料的實際糙率曲線上的高水位區(qū)域資料，進(jìn)行分析計算時，可以直接將其與河段中的各類特征相結(jié)合，包括下游控制情況、植物生長情況、岸壁組成情況等，以此選取合適的糙率值，控制其延長幅度在20%以內(nèi)。利用曼寧公式法計算也同樣需要我們先進(jìn)行資料來源的分析選擇，進(jìn)一步比對在歷年的實測數(shù)據(jù)資料中所挑選的出水面比降數(shù)值和糙率數(shù)據(jù)值。在我們對相關(guān)河流實測的數(shù)據(jù)信息重新進(jìn)行了整合及分析處理后，該地區(qū)河流近十年來實測出的糙率數(shù)據(jù)信息和實測水面比降數(shù)值信息均較少，更多的為十幾年以前甚至更久之前的數(shù)據(jù)信息。在分析過程中，河床的沖淤、斷面地物或整治等因素會導(dǎo)致其發(fā)生一定變化，但當(dāng)擬定流量關(guān)系線法時直接使用曼寧公式法計算還是能夠起到保證及一定程度的分析參考意義。對各測驗站實測糙率分別繪制的關(guān)系圖，并進(jìn)一步分析了其實測數(shù)據(jù)點及其分布等情況，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)點分布不集中，因此在分析數(shù)據(jù)時，對歷年流量信息進(jìn)行排列，選擇其中五年一遇的流量數(shù)據(jù)和在以上分析中所得到的水面比降和糙率信息作為超標(biāo)洪水的數(shù)據(jù)信息，使用曼寧公式對實際水位流量關(guān)系曲線加以計算分析，并分別將此計算數(shù)據(jù)與多年觀測綜合關(guān)系線及分別繪制出來的實測關(guān)系線結(jié)合進(jìn)行計算驗證及分析。通過計算參與測量的各站實測的洪水實際的測量變化情況進(jìn)一步加以驗證分析，形成相應(yīng)洪水的實際水位面積關(guān)系圖，得出實際超標(biāo)洪水實測的水面比降值數(shù)據(jù)和糙率數(shù)據(jù)。

3.單參數(shù)地區(qū)綜合法

在擬定水位流量關(guān)系線中，處于同一水文分區(qū)的洪水，影響因素主要在于流域的集水面積。單參數(shù)地區(qū)綜合法主要對于同一分區(qū)內(nèi)測站中的多年內(nèi)平均洪峰流量和流域集水面積之間的關(guān)系加以研究。將洪水分區(qū)作為一個單元，對分區(qū)中的實測流量數(shù)據(jù)信息加以分析，建立分區(qū)內(nèi)部的平均洪峰流量平均值和變差系數(shù)經(jīng)驗值之間的關(guān)系公式。為了整合和分析安慶市相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對該地區(qū)水文手冊中信息進(jìn)行調(diào)取和分析，對其中各相關(guān)分區(qū)進(jìn)行分類并計算洪水特征情況，通過其中的參數(shù)信息計算得出不同頻率的洪峰流量。在此基礎(chǔ)上再結(jié)合使用曼寧公式，計算出流量、斷面面積、比降和糙率之間的關(guān)系，對斷面的水位加以勘查并建立水位流量關(guān)系線。

4.多參數(shù)地區(qū)綜合法

多參數(shù)地區(qū)綜合法是主要研究應(yīng)用于在單一面積環(huán)境下，對某單參數(shù)地區(qū)利用綜合公式來對當(dāng)?shù)睾樗闆r等進(jìn)行粗略計算分析和推測的一種方法，有時會出現(xiàn)計算過程的誤差。由于多年暴雨特性變化和多年洪峰流量變化趨勢與我國地域特征均有其一定復(fù)雜的相互關(guān)系，因此為了力求避免分析出現(xiàn)一些較大的誤差，可以建立相應(yīng)的關(guān)系曲線和公式，包括主河道平均比降、流域日平均雨量和流域形狀等相關(guān)參數(shù)與洪峰流量之間的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)制定多參數(shù)地區(qū)經(jīng)驗公式，進(jìn)而擬定水位數(shù)量關(guān)系線。

5.多年綜合線擬定

多年綜合線擬定結(jié)合使用曼寧公式法、單參數(shù)地區(qū)綜合法和多參數(shù)地區(qū)綜合法等對水位流量關(guān)系線進(jìn)行擬定，對歷年水位流量關(guān)系線數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步擬定，以此形成綜合性分析方法可以進(jìn)一步的提高水位流量關(guān)系線圖的數(shù)據(jù)精確度。將基本斷面水位面積分級表作為基礎(chǔ)，分別繪制出水位流量關(guān)系線、水位面積關(guān)系下和水位平均流速關(guān)系線，將這些關(guān)系線綜合精細(xì)化處理，形成三種相統(tǒng)一的關(guān)系線，進(jìn)而更好地對超標(biāo)洪水情況進(jìn)行測報。

6.實測年最大流量頻率分析法

實測年最大流量頻率分析法利用頻率分析軟件對各數(shù)據(jù)多種頻率的相應(yīng)流量情況分析。利用曼寧公式對水位流量關(guān)系加以計算分析，在流量相同的情況下查找出相對應(yīng)的水位信息，使不同頻率水位對應(yīng)不同的流量特征，以此形成水位流量關(guān)系線。

五、超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法總結(jié)及建議

使用以上所提到的全部超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的現(xiàn)狀斷面情況和歷年來的實測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合性分析，并力圖在數(shù)據(jù)整合研究和圖表繪制技術(shù)的研究基礎(chǔ)上將圖中的高水部分的單位面積、平均水位流速變化等各種相關(guān)數(shù)值情況全部繪制計算出來，使其計算點群數(shù)據(jù)較為集中。中高水位區(qū)域內(nèi)的洪水流量頻率，相同頻率情況下，大水的最大平均洪水流速走勢與全國歷年來平均的大水的最大平均流速趨勢都較為趨于相似，且流量關(guān)系線圖的繪制形式較為趨向接近，在不同頻率情況下，洪水的實際集水面積和最大洪峰流量面積之間的流量關(guān)系線的擬合方法較好，所以相比較而言，擬合的多年綜合線更符合測站的特征，得到的水位流量關(guān)系線更為精準(zhǔn)。

但在以上超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線擬定方法中仍然存在一定問題。首先，所參考的相關(guān)手冊信息主要記錄2009年之前的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，雖然在使用多參數(shù)地區(qū)綜合法分析計算時能夠滿足30a以上系列資料的相關(guān)要求，且能夠具有較強(qiáng)的代表性，但是由于不同年份之間的斷面以上水利工程和生態(tài)環(huán)境等各種因素會存在一定差距，導(dǎo)致數(shù)據(jù)參考性精準(zhǔn)度有一定影響。其次，由于該地區(qū)暴雨通常局部性出現(xiàn)，雨量分布也較為分散稀松，呈不均勻分布的形式，但在相關(guān)記錄中關(guān)于雨量的記錄信息較少，其中地值線圖等也難以準(zhǔn)確地反映大范圍下的暴雨趨勢和分布形態(tài)，難以反映其中地形的影響，導(dǎo)致對局部暴雨的控制力度較弱。所以，在使用多參數(shù)地區(qū)綜合法計算分析時，選擇降水均值數(shù)據(jù)時基本斷面以上流域的面積相對較小，精準(zhǔn)度較低。另外，由于其中部分河道屬于平原區(qū)地勢地形，且會受到上游水利工程等因素的影響，若是僅通過公式計算所得到的流量會與實際值存在較大差距。

綜合以上提出以下建議：1.在實際使用曼寧公式法時，需要結(jié)合具有充分驗證性的實測現(xiàn)狀斷面水面流量比降數(shù)據(jù)資料，還需要利用實測糙率信息等，由于水面測量數(shù)據(jù)是很久之前的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致水位糙率關(guān)系點不夠集中，因此，為了提高水位流量關(guān)系線的精準(zhǔn)度，應(yīng)加強(qiáng)對現(xiàn)狀斷面水面比降數(shù)據(jù)和糙率信息的收集和分析，使其更加契合于當(dāng)下的測站特征。2.受到地形沖淤等變化、斷面的整治力度和斷面地物、基本斷面和以上生態(tài)環(huán)境變遷和其他水利工程影響等多種水文因素相互作用的復(fù)雜影響，導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)信息將存在有較多范圍的局部變動，因此今后在準(zhǔn)確繪制多年實測綜合流量關(guān)系線時更需要重點加強(qiáng)對歷年實測的水位流量信息動態(tài)的局部調(diào)整處理和誤差糾正，使其更好地分析應(yīng)用于水利工程實際。3.在相關(guān)手冊中所記載的參數(shù)地區(qū)綜合法中，公式較為簡潔，其使用起來較為便捷，但是由于其簡單性也存在著難以反映特殊流域中的參數(shù)特性和影響因素等問題，比如難以反映在設(shè)計流域下的流域形狀和河道比降情況，或者在設(shè)計流域內(nèi)的坡度特別陡峭或地形特殊時，要想計算和擬定水位流量關(guān)系線還需要綜合使用多參數(shù)地區(qū)綜合公式法進(jìn)行。

六、結(jié)論

綜上所述，超標(biāo)洪水水位流量關(guān)系線的擬定有多種方法，且每種方法影響因素和發(fā)揮的效果有所不同。通過對水位流量關(guān)系線的擬定，能夠有效幫助相關(guān)水文工作人員在水位流量關(guān)系發(fā)生變化的情況下，及時采取相應(yīng)的措施控制流量的變化，以科學(xué)的手段掌握河段的水位流量變化情況，實現(xiàn)對河道的有效控制。