水位流量关系单值化探讨

刘都喜，曹胜利，白跃虎

（黄委中游水文水资源局，山西 晋中 030600）

1 基本情况

黄河中游水文测区内先后组建延安、榆次、榆林、府谷4个水文水资源勘测局。已有27个水文站非汛期简化为固定日测流，11个站汛期实行校测，3个站实行间测，3个黄河干流站和2个重要支流控制站仍为驻测。按照目前测区内测站分布和测站控制情况，利用测站附近现有的水利工程设施，可进一步简化流量测验、改善水位流量关系。

2 开展的前景及可行性

根据测区内各测站实际情况开展研究，结合先进仪器、设备的引进和资料分析。实行一方面可以结合资料分析改善水位流量关系，保证必要的测验精度，实现全面巡测，向无人值守过渡。同时可在未控区有水工建筑的河段设立断面，建立未控区洪水测验测站或调查点，投入较少的经费，达到设站、增点，扩大资料收集面的目的。减少驻站人员，使更多的人力搞资料深加工分析。第三，结合应用先进的仪器、设备，彻底改善水文职工的工作条件，避免了水上作业或高空作业，有利于测验安全。

总之，利用堰坝改善水位流量关系，能较大地提高流量测验质量，更好地满足国民经济建设的发展对水文测验提出新的要求。为进一步深化站队结合工作，开拓测验新途径，具有很好的发展前景。

根据中游测区基层站测验河段附近水工建筑及自然跌水较多的条件，利用水利工程、测站附近的滚水坝、自然跌水、桥梁控制等来建立较稳定的水位流量关系。继续在有条件的测站逐站开展比测试验分析，研究适合各站特点的可操作性强的技术路线。对全面改进水文测验方式，推行高标准的巡测，开展无人驻测和委托观测，将是一个切实可行的途径。

综合过去对中游水文测区各站水位流量关系分析，认为影响二者关系稳定的主要因素：一是断面冲淤变化，二是洪水涨落影响。其中，最主要的是断面冲淤变化的影响，由于中游测区内干支流洪水暴涨暴落，并且多为高含沙水流，洪水过程断面冲淤变化大，实测水深困难。用借用断面面积计算流量误差较大，一般可达15%～20%左右。利用滚水坝上游附近稳定的或微冲微淤断面，基本上克服了受断面冲淤变化的影响，完全可以达到改善水位流量关系的目的。在有条件的水工建筑上游附近建立副断面，设立一组水尺或安装自记水位计，就可以由水位推算出较高精度的水文资料，比基本断面建测流设施既投资少，又更安全，同时还减轻了水文职工的劳动强度。

3 比测试验基本情况

3.1 延水延安站

在延安站基本断面以上2.3 km处建有人工堰一座，用于给延惠渠引水，该人工堰高3.5 m，堰宽88 m，左岸边有一宽2.6 m，深1.3 m的引水口。该引水口为无闸门控制，是常流水入口。1995年7月在堰顶上游92 m（设为副断面）处安装了“HW—1000型非接触式超声波水位计”，1996年比测了4次洪水过程，流量测次37次，流量范围：2.5～1700 m3/s。

3.2 屈产河裴沟站

裴沟站滚水坝在基下140 m处，坝高1.2 m，坝宽约21.5 m，引水渠现在已废弃。因该站断面冲淤变化相对较小，所以，高水时水位流量（基本断面水位在8.89 m以上、相应流量在61.6 m3/s以上）关系较稳定，历年水位流量关系可综合定为单一线。而该站中、低水水位流量关系较散乱，不能定为单一线。所以，在滚水坝上游20 m处设为副断面（1），设立了一组水尺，基本断面测流时观测相应水位，建立副断面水位流量关系，目的是改善中水水位流量关系。水位在7.63 m以下，流量在2.33 m3/s以下，副断面（1）的水位流量关系也不成单一线。另选基下200 m处天然测流槽，设立一组水尺作为付断面（2），该断面小水时水位流量关系为单一线。

裴沟站副断面（1）距基本断面距离较近，因此，比测试验时选择水流比较平稳的时期，不考虑洪水传播的影响，可以直接用基本断面所测流量与副断面相应水位建立关系。

4 比测试验成果分析

4.1 延水延安站

因该站副断面距基本断面较远，所以，要考虑洪水传播时间，即基本断面来水滞后相应堰上来水。

1）洪水传播时间分析。分析副断面至基本断面洪水传播时间与流量的关系，用实测流量相应的断面平均流速，代表该河段内水流的平均流速。以两断面间距离除以实测流量平均流速，即得相应流量下洪水传播时间。以流量为纵坐标，计算的相应传播时间为横坐标，点绘流量与传播时间相关关系图，二者关系较好，流量大，洪水传播时间短，反之亦然。

2）副断面水位与基本断面水位关系分析。用基本断面实测流量的平均时间，按其滞后时间返推，求出副断面水位。以此水位与基本断面相应水位建立关系，二者关系较好，相关系数达0.998，低水关系稍差是由于低水位代表性较差的缘故。

3）副断面水位流量关系分析。《水文巡测规范》规定，水位流量关系点据密集，分布呈带状，并无明显偏离，系统误差的绝对值二、三类站精度的水文站不大于2%，且流速仪法测流的实测关系点据与关系线间的定线误差（不确定度）高、中水分别不大于10%，12%和12%，14%的允许误差指标（浮标法和比降—面积法的定线允许误差可分别增大1%～3%和 3%～5%），可定为单一线。

延安站副断面水位流量关系中定线系统误差为0.3%，不确定度为11.4%；低水水位流量关系散乱，不能定为单一线。

延安站因试验资料系列较少、还有自记水位计故障、副断面距站房较远、低水水位流量关系不理想等原因，致使该方案还没有正式投入应用。

4.2 屈产河裴沟站

因该站不考虑洪水传播的影响，所以，只分析副断面（1）水位与流量的关系，二者关系较好，75%以上的测点与关系线的偏离相对误差值不超±2.3%。定线系统误差为1.0%，不确定度为 9.4%。

裴沟站中水水位流量关系可以定为单一线，用公式表示为：

式中：Q—流量，m3/s；Z—水位，m。

裴沟站根据测验河段实际情况，基本断面受冲淤变化影响，对中低水水位流量关系影响较大，使二者关系较复杂，不成单一线，高水时断面冲淤变化所占比例相对较小，而断面冲淤变化与流速变化又有相互补偿的作用，故高水水位（水位在8.89 m以上、相应流量在61.5 m3/s以上）流量关系历年可综合定为单一线。中低水分别利用测验河段附近滚水坝和天然测流槽的良好自然条件，分别在副断面（1）和副断面（2）实现水位流量关系单值化。即基本断面水位在8.89 m以下，副断面（1）水位在7.62 m至8.43 m之间；流量在2.12～61.5 m3/s之间，水位流量关系可定为单一线；副断面（1）水位在7.62 m以下，相应流量在2.12 m3/s以下，副断面2水位流量可定为单一线。由此裴沟站高、中、低水，分别在基本断面、副断面（1）和副断面（2）实现了水位流量关系单值化。该方案较为完善，因此，现已正式投入应用。

5 结语

由于影响中游水文测区水位流量关系的因素主要是断面冲淤变化，而洪水时实测断面困难，断面冲淤变化又极为复杂，计算流量靠借用断面误差又较大，致使水位流量关系散乱。通过对延安、裴沟水文站堰坝水位流量关系的分析，结果表明：利用堰坝使中、高水水位流量关系得到了很大改善，水位流量关系能够实现单值化。这样既比对基本断面水位流量关系概化处理应用简便，又提高了资料精度；也比在基本断面建测流设施投资少，也更安全。中游水文测区有较多水文站测验河段附近有可供利用的水工建筑，所以，利用堰坝改善水位流量关系有着广阔的应用前景。

利用堰坝改善水位流量关系只能解决中、高水部分，低水部分还得另辟途径。目前，裴沟站利用天然测流槽；大村、新市河、临镇、韩家峁等站修建人工控制低水测流槽都是行之有效的办法。

由于过去测区内大部分水文站水位靠人工观测，因此，即使部分站测验河段附近有水工建筑等条件，但因距站房较远，观测不方便等原因影响，各站普遍对此没有积极性。所以，尽管有的水文站测验河段附近有较好的条件也没有充分利用起来。目前，HW—1000型非接触式超声波水位计已广泛投入应用，积累了一定的经验，在有条件的地方可以设立遥测自记水位计施测水位。如果副断面距站房较远，可以采用“无人值守、有人看管”的方式解决。