魏 軒，魏林云

（長江水利委員會水文局荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州，434020）

0 引言

藕池（管）水文站屬控制長江四口分流藕池河的國家基本站，且為長江荊江河段重要的防汛測報站，研究其控制斷面的水位流量關(guān)系，對水文測驗、河道行洪能力分析以及洪水調(diào)度與預報等工作具有非常重要的意義[1]。然而受洪水漲落、斷面沖淤、洞庭湖回水頂托以及通斷流[2]等多重因素的影響，該站水位流量關(guān)系通常呈不穩(wěn)定的形態(tài)，即水位與流量呈多值關(guān)系，這種關(guān)系致使水文測驗時機難以控制、布置測次多且獲取數(shù)據(jù)時效性不強等，而且給洪水預報、水文計算帶來不便，因此對藕池（管）站水位流量單值化關(guān)系的分析研究具有重要的意義。

1 測站概況

藕池（管）站始建于1952年7月，位于長江四口水系藕池河段，地理位置為東經(jīng) 112°19′、北緯 29°44′，是國家一類流量精度站，其基本水尺斷面上游約19.0km為長江分流藕池河口，約2.0km的右岸為安鄉(xiāng)河口，1.7km有鳳凰洲，248m為管家鋪大橋；基下600m有浩吉鐵路大橋，下游約1.4km有岳宜高速公路大橋，下游約10km藕池河分東中兩支，再下游分為多支流入洞庭湖，附近河段概況如圖1。測驗河段順直長約1.5km，斷面為槽式斷面，主泓偏左，在起點距190～265m之間擺動。河床左部為黃土，基本穩(wěn)定；河床右部為沙質(zhì)逐漸淤高，斷面右岸有100m左右灘地，漫灘后出現(xiàn)死水。

藕池（管）站水位流量關(guān)系主要受洪水漲落、斷面沖淤、洞庭湖回水頂托影響，關(guān)系曲線呈不規(guī)則的繩套關(guān)系。2009年藕池（管）站以其上游23.8km處長江干流新廠（二）站和其下游約51.0 km的南縣（羅文窖）站為綜合落差輔助站，按單值化方案布置測次。2014年因下游水利工程施工，嚴重影響藕池（管）站水位流量關(guān)系，2015年恢復連時序布置測點。2016年初施工完成，水利工程對測站特性的影響才逐漸減弱。

為恢復采用單值化方案布置測點，2016-2020年藕池（管）站采用連時序布置測點進行測驗，現(xiàn)對已收集5年的水位流量資料重新進行了單值化分析，得出符合規(guī)范要求的單值化方案，可以達到大幅度的減少流量測次，降低測驗成本和職工勞動強度，為實現(xiàn)智慧水文、和諧水文提供技術(shù)支撐。

2 水位～流量關(guān)系單值化方案確定

通過對藕池（管）站水位流量關(guān)系影響因素進行分析，并結(jié)合測驗河段上下游目前現(xiàn)有的水位站網(wǎng)布設(shè)情況，認為藕池（管）站采用落差指數(shù)法[3-4]開展水位流量單值化分析[5]比較合適，校正流量因素計算公式為

式中：q為校正流量因素；Qm為實測流量，m3/s；k1為流量改正系數(shù)；α為落差指數(shù)，k2為落差改正系數(shù)，Zm為綜合落差，m；Z0為本站水位，m；Z1為上游輔助站水位，m；B0為落差改正值。

2.1 輔助水尺的選擇

按現(xiàn)有水文站網(wǎng)布設(shè)情況，參考落差指數(shù)法單值化方案原理以及原單值化方案，選定上游23.8km的新廠（二）站、下游51.0km的南縣（羅文窖）站，組成不同的綜合落差進行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，因南縣（羅文窖）站距離藕池（管）站距離較遠以及下游分支交匯復雜，導致此下游輔助站不能較好反應回水頂托的影響因素，代表性不足，故只選用新廠（二）站作為落差參證站。

2.2 分析資料的選用

分析資料選用藕池（管）站2016-2020年水位、流量實測資料和整編成果，總計340次實測流量。在樣本資料中實測最高水位39.05m，最低水位29.04m，實測最大流量3 340m3/s，最小流量-241m3/s，以及與之對應的落差參證站實測水位資料。

2.3 改正系數(shù)和落差指數(shù)的確定

采用計算機編程程序，用試錯法不斷調(diào)整參數(shù)，同時采用式（1）計算各實測流量對應的校正流量，分年繪制水位～校正流量關(guān)系曲線，反復多次，直到各年水位～校正流量關(guān)系曲線均能夠滿足單一曲線定線要求，并通過3種檢驗和年特征值誤差計算，包括符號檢驗，適線檢驗和偏離數(shù)值檢驗等，最終確定的參數(shù)值為k1=1，k2=1，B0=0.247，α=0.5。

藕池（管）站水位流量關(guān)系單值化（綜合落差指數(shù)法）方案最終為：

3 水位流量關(guān)系單值化方案精度分析

3.1 水位～校正流量關(guān)系

通過以上建立的水位～流量關(guān)系單值化方案，根據(jù)選用的資料分別計算藕池（管）站2016-2020年各年實測流量對應的校正流量，繪制各年水位-校正流量關(guān)系曲線，并進行3種檢驗，各年定線精度如表1所示。

表1 藕池（管）站水位-校正流量關(guān)系曲線定線精度統(tǒng)計

從表1可以看出，藕池（管）站水位流量關(guān)系單值化方案定線精度均滿足水文巡測規(guī)范對一類精度巡測站所要求的標準（一類站水位流量關(guān)系采用單值化方法處理后系統(tǒng)誤差的絕對值不大于2%，單值化關(guān)系線定線允許隨機不確定度高水不超過12.0%，中水不超過14%）。

3.2 整編成果精度分析

按照以上水位～流量關(guān)系單值化方案，采用南方片水文資料整編系統(tǒng)軟件，對藕池（管）站2016-2020年的資料重新進行整編，推求各年流量整編成果。為了檢驗藕池（管）站水位～流量關(guān)系單值化方案的推流精度，以藕池（管）站2016-2020年來采用的連時序法流量整編成果為標準，分別計算、統(tǒng)計各年單值化法與連時序法各項流量特征值誤差大小。

3.2.1 月、年平均流量對照

月、年平均流量方差分析見表2。從監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果得知，除部分月份因通斷流時期月平均流量基數(shù)太小引起的誤差較大外，各年其它月份平均流量特征值誤差較小（均控制在±5%以內(nèi)），與連時序推流成果相比無顯著性差異，各年、月特征值出現(xiàn)日期基本一致。年平均流量和年徑流量誤差均在±1%范圍內(nèi)，單值化方案整編成果精度較高。

表2 藕池（管）站月、年流量方差分析統(tǒng)計表

3.2.2 年內(nèi)最大各日洪量對照

藕池（管）站連時序法與落差指數(shù)法整編最大各日洪量方差分析統(tǒng)計見表3。年內(nèi)最大各日洪量誤差在-1.7%～3.8%之間，大于3.0%的洪量誤差出現(xiàn)1次，其它洪量誤差均在-1.7%～2.2%之間，從方差分析結(jié)果中可以看出，采用落差指數(shù)法求得洪量與連時序法相比無顯著性差異，能滿足流量資料整編要求。

表3 藕池(管)站最大各日洪量方差分析統(tǒng)計表

3.3 洪水過程分析

通過對2016-2020年連時序法和單值化方案推求的逐日平均流量過程線對照圖和最大洪水繩套曲線對照圖進行分析，以2020年為例，逐日平均流量過程線對照如圖2所示，最大洪水過程對照如圖3所示，典型洪水場次水位流量關(guān)系還原對照如圖4。通過2020年相關(guān)過程對照圖可以看出，大部分時段連時序法和水位流量關(guān)系單值化方案推求的過程總體上對應較好，但在某些時段不能很好的重疊，主要原因是采用連時序法繪制水位流量關(guān)系時是按時間和本站實測流量及水位變化推算，在定線推流時往往為追求曲線圓滑美觀，人為將線形合并，使日均流量平滑過渡，致使局部時段存在誤差。而采用水位流量關(guān)系單值化方案推流逐時綜合考慮了落差頂托因素的影響，更接近實際情況。

4 單值化方案應用

該方案于2021年開始投入使用，在布置測次時主要以水位的漲落幅來控制，并使?jié)q落水面測次分布均勻。單值化方案應用滿足整編定線的精度要求，推流成果也達到水文資料整編規(guī)范[6]要求。

5 結(jié)論與建議

通過以新廠（二）站作為落差參證站對藕池（管）站2016-2020年實測流量進行落差指數(shù)法[7]單值化方案處理后，各項誤差檢驗結(jié)果均在誤差允許范圍之內(nèi)，精度分析滿足規(guī)范要求，因此本單值化方案可行，同時能夠大幅度減少流量測次，降低測驗成本，減少勞動強度。但是當發(fā)生特殊水情（如回水頂托嚴重）、防汛調(diào)度需要或測驗河段水流特性發(fā)生重大改變時，該單值化使用效果欠佳，應及時恢復連時序法布置流量測次。

因單一落差不能有效解決下游回水頂托及斷面沖淤變化對水位流量關(guān)系的影響，今后要進一步結(jié)合下游輔助水位站資料，建立綜合落差關(guān)系進行補充分析，對本單值化方案進行優(yōu)化調(diào)整。