落差指数法在受上下游水利工程影响的水文站中的应用——以黄家港水文站为例

李平 李凯 赵学军 连雷雷

(长江委水文局汉江水文水资源勘测局,湖北 襄阳 441021)

·矿业与水利工程·

落差指数法在受上下游水利工程影响的水文站中的应用
——以黄家港水文站为例

李平 李凯 赵学军 连雷雷

(长江委水文局汉江水文水资源勘测局,湖北 襄阳 441021)

本文通过2013、2014年实测水文资料,采用落差指数法来推算黄家港站径流要素情况,从而达到解决受上下游水利工程影响的水文站推流问题。

水文站;水利工程影响;流量;落差指数法

黄家港水文站始建于1953年,控制面积95 217km2,多年平均流量1 200m3,为国家基本站,是一类精度的水文站和一类精度的泥沙站,为丹江口水库运行、汉江中下游防洪预报和清水冲刷泥沙研究服务。2014年南水北调中线丹江口水库向北方供水,黄家港站流量资料对调水决策有极大影响。

自黄家港站设立至1958年,其水位流量受洪水影响而涨落。随着水利工程的兴建、调度运作,1968年该站上游6km建成大型水利枢纽工程——丹江口水电站,来水受上游水库发电、泄洪控制影响；下游31km王甫洲水利工程2002年建成蓄水,黄家港站测验断面受下游水库变动回水影响,是典型的受上下游水利工程影响的水文测站,加之下游水库蓄水使黄家港测验河段水位抬高、流速减缓、水体富营养化,引起水位～流量关系变化的因素多,水位～流量关系复杂。水文测站通过加密流量监测频次来控制水位～流量变化,但投入人力、物力极大,如何发挥水文站网群功能,通过水力因素分析提高测报精度、解放生产力、提高工作效率、减少经费支出,运用落差指数法进行黄家港站径流分析计算应运而生。

1 落差指数法的基本原理

水文资料整编(4.10)中规定,受变动回水影响的测站,可采用落差指数法定线推流。采用落差指数法的测站河段宜顺直,河槽宜基本稳定,且落差应具有代表性［1］。定线推流应采用以下方法：

假定同水位不同落差的流量符合下式：

Q1/(ΔZ1β)=Q2/(ΔZ2β)=q

式中Q1、Q2——同水位不同落差的流量；

ΔZ1、ΔZ2——与Q1、Q2相应的落差；

β——落差指数；

q——流量与落差β次方之比(或称校正流量因数)。

其推流模型的主要流程如下：

(a)优选落差指数β,其变化范围为0.2～0.8,在此区间内,可以采用试错法或优选法,以定出的Z—q关系曲线,通过适线检验、符号检验、反曲检查且不确定度最小时的β为最优β值。

(b)确定Z—q关系曲线,根据优选的β值所定的Z—q关系曲线,定线精度符合单一曲线的定线要求,即为推求流量采用的曲线。

(c)根据落差参证站的水位计算的落差ΔZ和优选的β值,用本站水位推得q值,与相应的△Zβ的乘积即为推求的流量。

2 黄家港站落差指数法应用情况

黄家港站测验河段顺直,经丹江口水库多年冲刷,测验断面较稳定,且在丹江口水库以下王甫洲水电区间布设有多处水位观测站点,进行落差指数法推流计算分析具备《水文资料整编规范》的基本要求［2］。

2.1 黄家港站水位参证站选择

在黄家港站上游5km布设有王家营水位站,下游3km布设有沈湾水位站。经分析王家营与黄家港站水位落差在0.35～1.2m,黄家港～沈湾站水位落差在0.05～0.4m之间,可以作为落差计算参证站,现假定王家营、沈湾站为黄家港站相对应的水位参证站(比降观测点)。

图1 黄家港站落差指数法水位参证站

2.2 水位参证站资料的采用

王家营、黄家港、沈湾均采用长期水位自记仪器记录水位,但王家营水位站距丹江口水库下游仅1km,距大坝太近,对大坝发电机组调节异常敏感、受开闸泄洪期间波浪影响大,部分时段水位呈明显的锯齿状,黄家港、沈湾站距丹江口水库相对较远,洪水在传播河段坦化,波浪较小,考虑到上下游数据同步,分析数据采用适时水位数据经摘录后进行数据分析。

2.3 落差指数法分析

在黄家港站水位摘录后水位线上,用时间内插法推求出王家营、沈湾站对应时间的水位,计算对应时间黄家港站～王家营站、黄家港站～沈湾站的水位落差,同时考虑黄家港站流量测验时段水位变化情况,加以权重,计算出综合落差［3］。

将黄家港站2013、2014年实测流量通过上述落差方程Q1/(ΔZ1β)=Q2/(ΔZ2β)=q计算,得出与落差△Z次方之比,由此可得到一系列的校正流量因数q,将其同相应的水位在坐标格网纸上展点,得到Z～q关系曲线。通过对拟合曲线的检验及随机不确定度的计算,进行试错法,求得最优β值参数。

3 落差指数法推流计算

经过试验优选,在黄家港站β值取0.46时,王家营和沈湾落差权重β分别为0.26和0.74时,数据线性程度最好,离散最小。统计得到,推算流量值与实测值之间系统误差0.02,随机不确定度7.35%。

将上述落差指数应用于南方片资料整编程序进行整编计算,同黄家港站临时曲线法推流整编结果相比较如下图2。

图2 推流整编结果以2013年为例

年径流量,临时曲线法为267.1亿m3,落差指数法为265.1亿m3,误差一0.7%。

4 结语

受水利工程影响的水文站采用落差指数法进行流量资料的推算,可以达到一定的精度,但对于像黄家港站这样流量精度高的测站,现阶段不能满足生产需要。多收集资料,合理取用相关参数,可作为辅助推流分析使用。

表1 2013年月平均流量统计表

表2 2013年月最大值流量统计表

表3 2013年月最小值流量统计表

对黄家港站用该法时的精度主要取决于公式中相关参数的选取。

影响相关参数确定的因素主要有落差计算,采用的水位曲线摘录法,对于天然河流,采取拟合走中线法是否恰当等,但对于受变动回水影响的测站,部分时间的水位波动,应为河流水体的真实反映,若采取中线法摘录,对落差的计算精度会存在一定的影响。

［1］中华人民共和国水利部.SL247一2012水文资料整编规范［S］.北京:中国水利水电出版社.

［2］中华人民共和国水利部.GB50179一93河流流量测验规范［S］.北京:中国计划出版社.

［3］中华人民共和国水利部.GB/T50138一2010水位观测标准［S］.北京:中国计划出版社.

APPlication of GaP Index Method in Hydrological Station Influenced by UPstream And Downstream Water Conservancy Projects——Taking the Hangjiagang Hydrological Station As an Example

Li PingLi KaiZhao XuejunLian Leilei
(Han River Hydrological and Water Resources Survey Bureauofthe Yangtze River Hydrological Bureau,Xiangyang Hubei 441021)

This paper,according to the measured hydrological data in2013 and 2014,calculatedthe condition of runoff factors at Huangjiagang station by gap index method,so as to solve the hydrological station plug flow problem affected by upstream and downstream water conservancy projects.

hydrological station;effect of water conservancy project;flow;gapindex method

P333

A

1003一5168(2015)07一0070一3