張定凱

（廣東省水文局梅州水文分局，廣東 梅州 514000）

水文站是監(jiān)測(cè)和記錄河流或水域水文數(shù)據(jù)的關(guān)鍵設(shè)施，其中水位和流量數(shù)據(jù)是了解水文特性和水資源管理的重要組成部分。水位與流量之間的關(guān)系對(duì)于預(yù)測(cè)洪水、管理水庫和評(píng)估水資源的利用具有重要意義。為了更好地應(yīng)用水文數(shù)據(jù)，需要建立水位流量關(guān)系曲線，以便將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為流量值。本研究旨在通過對(duì)某閘水文站的水位流量關(guān)系進(jìn)行單值化分析，探索水文站的水文特性，為相關(guān)應(yīng)用提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

在該河流域中，某水文站進(jìn)行多項(xiàng)觀測(cè)項(xiàng)目，包括水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、水溫、降水、水面蒸發(fā)、氣溫和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等。這些豐富的觀測(cè)數(shù)據(jù)為相關(guān)人員提供了深入了解該地區(qū)水文情況的機(jī)會(huì)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，能夠更好地把握河流的特征和行為。

此外，某水庫位于某渠首上游約400 米處，這是一個(gè)關(guān)鍵的位置，因?yàn)樵搮^(qū)域沒有支流的匯入或引蓄水工程。因此，可以直接依賴某渠首斷面的實(shí)測(cè)徑流資料來計(jì)算壩址處的徑流情況。這種數(shù)據(jù)的可靠性對(duì)于水庫設(shè)計(jì)和管理至關(guān)重要，確保了有準(zhǔn)確的依據(jù)來預(yù)測(cè)水庫的水量和水位。

另外，考慮到1958 年至1963 年是豐水年，還將某站的數(shù)據(jù)作為參證站，用以插補(bǔ)和延長(zhǎng)某河的徑流資料。這種數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法能夠填補(bǔ)歷史數(shù)據(jù)的空白，從而更好地了解某河的徑流情況，包括干旱期和濕潤(rùn)期的變化趨勢(shì)。這對(duì)于未來的水資源規(guī)劃和管理至關(guān)重要，因?yàn)樗峁┝烁鼫?zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于更好地應(yīng)對(duì)水資源管理的挑戰(zhàn)。

綜合而言，這些水文觀測(cè)數(shù)據(jù)不僅有助于了解河流的水文特征，還為水資源管理提供了寶貴的信息。通過數(shù)據(jù)的收集、分析和插補(bǔ)延長(zhǎng)，能夠更好地應(yīng)對(duì)未來的水資源管理挑戰(zhàn)，確保水資源的可持續(xù)利用。

1.2 實(shí)測(cè)值修正法

實(shí)測(cè)值修正法是一種通過對(duì)已有測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和校正的方法，以減小測(cè)量誤差并還原真實(shí)情況。對(duì)于洪水期的情況，可以采用適當(dāng)?shù)男拚椒?，考慮引水渠首的規(guī)模限制和干渠斷面的沖淤變化，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以還原實(shí)際的流量情況。這樣可以提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為水資源管理和工程規(guī)劃提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在某水管站的測(cè)流斷面位于引水干渠中，該斷面內(nèi)部采用了襯砌結(jié)構(gòu)，利用水位和流量之間的關(guān)系來推算河道的來水情況。在平水期和枯水期，河道的流量較小，干渠斷面相對(duì)穩(wěn)定，因此測(cè)量數(shù)據(jù)的精度較高。然而，在洪水期，由于引水渠首的規(guī)模限制，無法測(cè)量到全部流量，并且干渠斷面會(huì)頻繁發(fā)生沖淤變化，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的精度受到限制。因此，在這種情況下，需要進(jìn)行實(shí)測(cè)值的修正和還原計(jì)算，以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

在選取參證站時(shí)，考慮到某站位于河流出山口處。因此，某站被選定為徑流修正的參證站。通過與某水文站連續(xù)實(shí)測(cè)徑流系列的年內(nèi)平均分配情況對(duì)某河洪水期的徑流進(jìn)行修正。這里采用水文比擬法來進(jìn)行修正計(jì)算，公式（1）用于計(jì)算修正后的徑流量。

其中，Qcorrected表示修正后的徑流量，Qcardlungur表示某水文站洪水期實(shí)測(cè)徑流量，C 表示某河洪水期實(shí)測(cè)徑流量的年內(nèi)平均分配比或修正系數(shù)。

修正系數(shù)C 可以根據(jù)某水文站連續(xù)實(shí)測(cè)徑流系列的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，它表示某河洪水期徑流相對(duì)于某水文站洪水期徑流的比例或分配關(guān)系。通過比較和匹配洪水期徑流數(shù)據(jù)，確定修正系數(shù)C，可以準(zhǔn)確地修正某河洪水期徑流量，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

具體的修正系數(shù)C 的計(jì)算方法會(huì)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)和研究對(duì)象的特點(diǎn)而有所不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行計(jì)算和分析，以得到準(zhǔn)確的徑流修正結(jié)果。

對(duì)于某水管站而言，其平枯水期流量的測(cè)驗(yàn)精度較高，滿足水文觀測(cè)規(guī)范的要求，因此可以利用平枯水期的徑流資料來計(jì)算修正系數(shù)n 的值，此處n 的值為1.19。參照某水文站多年實(shí)測(cè)徑流資料，通過進(jìn)行還原計(jì)算，得到某水管站處多年平均徑流量為411 萬m3。這樣修正后的徑流數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，可為水資源管理和工程規(guī)劃提供可靠的依據(jù)。

1.3 徑流深等值線法

根據(jù)平均徑流深等值線圖，可以獲取某河所在流域的年平均徑流深度信息。根據(jù)該信息，結(jié)合某水庫壩址斷面以上的集水面積為21.1km2，可以利用徑流深等值線法來計(jì)算壩址處的多年平均徑流量。

徑流深等值線法是一種常用的方法，用于根據(jù)徑流深度的分布情況來估算流域的徑流量。根據(jù)式（2），可以計(jì)算壩址斷面處的多年平均徑流量，公式如下：

其中，Qavg 表示多年平均徑流量，A 表示壩址斷面以上的集水面積，P 表示年平均徑流深度。根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，代入相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，即可得到壩址處的多年平均徑流量。

徑流深等值線法可以在缺乏直接徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，通過對(duì)流域徑流深度分布的分析和推算，提供對(duì)流域徑流量的估計(jì)。它在水資源研究和水文模擬中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以為水庫規(guī)劃和水資源管理提供參考依據(jù)[1]。

1.4 徑流模數(shù)法

根據(jù)流域相似原則，采用徑流模數(shù)法來計(jì)算某水庫壩址斷面處的多年平均徑流量。

徑流模數(shù)法是一種常用的水文計(jì)算方法，通過建立流域的徑流模數(shù)，即單位面積的徑流量與有效降雨量之間的關(guān)系，來估算流域的徑流量。根據(jù)式（3），可以計(jì)算壩址斷面處的多年平均徑流量，公式如下：

其中，Qavg 表示多年平均徑流量，M 表示徑流模數(shù)，P 表示年平均降雨量。通過選取某站作為參證站，可以獲取相應(yīng)的徑流模數(shù)M，然后結(jié)合年平均降雨量數(shù)據(jù)，代入公式進(jìn)行計(jì)算，即可得到壩址處的多年平均徑流量。

徑流模數(shù)法是一種基于統(tǒng)計(jì)和模型的方法，適用于缺乏直接徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況。通過考慮流域特征和參證站數(shù)據(jù)，它可以提供對(duì)流域徑流量的估計(jì)。在水文研究和工程規(guī)劃中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，可用于水資源評(píng)估和水文模擬等方面。

通過綜合運(yùn)用這些方法，并進(jìn)行比選論述分析，研究人員最終得到了某河的水文成果，為修建某水庫提供了重要的水文數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)依據(jù)。這些成果對(duì)于確保工程的安全性和可靠性至關(guān)重要，為水庫的規(guī)劃和管理提供了科學(xué)依據(jù)。此外，本研究還強(qiáng)調(diào)了對(duì)實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)的重要性，并提出了在缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，采用參證站選定論證的方法來進(jìn)行水文計(jì)算的可行性[2]。

1.5 水庫蓄水量估算

這項(xiàng)研究根據(jù)年度和季節(jié)性初級(jí)洪水輪廓以及DEM作為測(cè)深參考，估計(jì)了每個(gè)水庫的海岸線高程。首先，將無云年淹沒范圍與DEM 相結(jié)合，得到海岸線高程和坡度的一般分布（獲得STD_a如下所述）。然后利用該信息基于假設(shè)去除干擾海岸線DEM：對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的水庫，海岸線像素之間的季節(jié)性高程（以及坡度）偏差在整個(gè)研究期間應(yīng)該是均勻的，而干擾（不是海岸線或特殊部分，如大壩）像素會(huì)增加偏差。刪除的閾值設(shè)置為：

其中,Tai和AVEa(i-1)是i去除年度范圍修正，（i-1）是分別刪除平均值和標(biāo)準(zhǔn)差之后的值。

對(duì)于每個(gè)儲(chǔ)層，DEM 優(yōu)化包含一個(gè)干擾消除步驟和一個(gè)漏件修補(bǔ)步驟?；贒EM的干擾消除包括四個(gè)步驟：（1）擦除高程或坡度過高或過低的區(qū)域（根據(jù)Tai）在年度盤區(qū)中，然后使用擦除的盤區(qū)干擾最小的某一年的結(jié)果來獲得STDa；（2）擦除高程或坡度過高的區(qū)域（根據(jù)Taj）在年度范圍內(nèi)，得到無陰影的年度水域范圍；（3）擦除高程或坡度過高的區(qū)域（根據(jù)Tsj），生成的無陰影季節(jié)性水域范圍，其中包括更多缺失范圍，由云、ETM+影像中的未掃描像素以及過度移除導(dǎo)致；（4）移除高程過低的像素（根據(jù)Tsj）在年度和季節(jié)性海岸線DEM 中，以移除海岸線DEM 中缺失范圍的輪廓，從而產(chǎn)生干擾去除的海岸線DEM。通常，對(duì)于整個(gè)研究區(qū)域的儲(chǔ)層，考慮出現(xiàn)的干擾像素的正態(tài)分布，受限于Tsj和Taj（AVE±2×STD），每次去除的海岸線像素部分約為殘余物的5%，然后季節(jié)性去除通常執(zhí)行5 次，每年執(zhí)行1 次，因此約23%（1-0.95^5），季節(jié)性約5%（1-0.95^1）。水位的估計(jì)基于去除干擾的DEM 的平均高程。單獨(dú)去除過高或過低值的干擾（高值優(yōu)先）的目的是避免過度消除低值干擾。具體而言，由于NDWI 提取閾值低，導(dǎo)致原淹沒區(qū)結(jié)果包含高海拔和坡度較高的非水域，可能導(dǎo)致去除誤認(rèn)為干擾像素的海岸線像素。

估算水位后，需要對(duì)蓄水面積進(jìn)行完整的DEM估算。通過計(jì)算水庫DEM 以上和估計(jì)水位平面以下的體積來估計(jì)儲(chǔ)水量，以估計(jì)完整水域的儲(chǔ)水量，同時(shí)排除海拔高于水位的區(qū)域（負(fù)深度區(qū)域），例如陸地面積和一些凍結(jié)區(qū)域。水淹沒面積估算基于水庫DEM 相交的水位面面積[3]。

在應(yīng)用上述程序后，估計(jì)在某些季節(jié)失敗或結(jié)果為零，因?yàn)槌晒β适艿娇捎肔andsat 圖像的數(shù)量和質(zhì)量的限制，以及水位低于DEM 表面的可能性。為了獲得體積變化的完整時(shí)間序列，需要重建這些缺失季節(jié)的儲(chǔ)水量數(shù)據(jù)。對(duì)于每個(gè)水庫，根據(jù)儲(chǔ)水量與其面積之間相當(dāng)強(qiáng)大的關(guān)系，估計(jì)的淹沒面積和儲(chǔ)水量用于生成面積-體積曲線，可以表示為：

其中V代表水庫水量，Area是它的小河流域，并且a和b要確定的參數(shù)。確定后a和b通過曲線擬合，通過淹沒區(qū)重建缺失體積。具體而言，缺失的淹沒面積數(shù)據(jù)用相應(yīng)季節(jié)的多年平均估計(jì)面積填充，然后使用成功估計(jì)的數(shù)據(jù)確定的面積-體積曲線填充缺失的體積數(shù)據(jù)。

在執(zhí)行曲線擬合時(shí)，決定系數(shù)顯示了每個(gè)儲(chǔ)層關(guān)系的擬合效應(yīng)，該關(guān)系受以下幾方面因素影響：（1）關(guān)系對(duì)局部地形的適用性，因?yàn)樵撽P(guān)系對(duì)地形類似于對(duì)角線切成兩半的方形金字塔的儲(chǔ)層具有更高的適用性；（2）在水位較高時(shí)是否更有可能獲得DEM，從而不提供水面下地形，這可能導(dǎo)致關(guān)系的適用性較低，并且無法估計(jì)多個(gè)季節(jié)[4]。

如果儲(chǔ)層的決定系數(shù)較低（r2＜0.8），使用備用DEM（ASTER）來重新計(jì)算季節(jié)性儲(chǔ)水量。對(duì)于新蓄水的儲(chǔ)層，除非備份DEM 計(jì)算的結(jié)果顯示出顯著更高的決定系數(shù)，因?yàn)楫?dāng)獲得DEM 時(shí)，更多的地形暴露在水面以上并導(dǎo)致關(guān)系對(duì)局部地形的適用性，否則默認(rèn)將DEM 計(jì)算的結(jié)果作為估計(jì)結(jié)果；對(duì)于現(xiàn)有儲(chǔ)層，選擇決定系數(shù)較高的計(jì)算結(jié)果作為估算結(jié)果。

2 結(jié)果和分析

流域的總儲(chǔ)水量變化以新建的水庫為主。自2014年第3 季度以來，新建水庫的總儲(chǔ)水量突然增加。這一結(jié)果和分析揭示了流域水文情況的重要變化趨勢(shì)。

首先，新建水庫的總?cè)萘繛?.33×108m3，其中蓄水量約為2.83×108m3。這意味著新建水庫的儲(chǔ)水能力相當(dāng)大，為整個(gè)流域的儲(chǔ)水增加提供了強(qiáng)有力的支持。2014 年第3 季度后的突然上升主要?dú)w因于新水庫的投入使用，其蓄水量顯著貢獻(xiàn)了流域總儲(chǔ)水的增加。

其次，需要關(guān)注庫間體積變化，這是流域水文系統(tǒng)的重要組成部分。在集水區(qū)B 中，總?cè)萘繛?.47×108m3，而另外兩區(qū)的總?cè)萘糠謩e為0.94×108m3和3.89×108m3。這些數(shù)字揭示了不同區(qū)域之間的庫間體積變化，這在流域水資源管理中具有關(guān)鍵作用。特別值得一提的是，水庫容量的變化也需要納入考慮，因?yàn)椴煌畮斓娜萘孔兓瘜?duì)總儲(chǔ)水量的貢獻(xiàn)各不相同。

綜合分析結(jié)果表明，新建水庫對(duì)流域總儲(chǔ)水量的增加產(chǎn)生了顯著影響。這一變化趨勢(shì)對(duì)于水資源管理和流域規(guī)劃具有重要意義。首先，它提供了更多的水資源可供利用，可能對(duì)供水、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等方面產(chǎn)生積極影響。其次，這種變化需要引起對(duì)水資源管理策略的重新審視，以更好地適應(yīng)變化的情況[5]。最重要的是，這一分析為未來的水資源規(guī)劃提供了有力的數(shù)據(jù)支持，幫助更好地理解和應(yīng)對(duì)水資源變化的挑戰(zhàn)，確保流域的可持續(xù)發(fā)展。

3 結(jié)語

通過對(duì)某閘水文站水位流量關(guān)系的單值化分析，本研究得出了可靠的水位流量關(guān)系曲線，為水文數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用提供了重要參考。水位流量關(guān)系的建立對(duì)于水資源管理、洪水預(yù)測(cè)和水文模擬等方面具有重要作用。本研究的結(jié)果為深入理解水文站的水文情況以及更精確地利用水文數(shù)據(jù)提供了有益的指導(dǎo)，對(duì)于維護(hù)水資源的可持續(xù)利用具有積極意義。