水工程圆水顶托对水位流量关系的影晌

高耶　孙亚飞　赵静飞　江国红　蔡健平

（湖南省水文水资源勘测局　长沙市　410007）



水工程圆水顶托对水位流量关系的影晌

高耶孙亚飞赵静飞江国红蔡健平

（湖南省水文水资源勘测局长沙市410007）

【摘要】为满足防洪、农业灌溉、水力发电、航运等多方面的需求，大量水利工程不断得以修建，改变了水文测验河段天然河流水沙变化规律和测验条件。文章以皂市水库的入库站雁池水文站为例，描述水位流量关系受回水顶托影响的时间分布，运用分类回归树定量预测雁池站水位流量关系不受回水顶托影响的边界条件为水位差大于1.55m，且水库水位小于或等于132.41m，依据边界条件简化测验方式，可有效减少5O%的工作量。

【关键词】水工程回水顶托水位流量关系

为满足防洪、农业灌溉、水力发电、航运等方面的需求，大量水利工程不断得以修建，改变了水文测验河段天然河流水沙变化规律和测验条件，给正常的水文测验工作造成诸多的困难。据统计，四川省总共有136个水文站，其中近100个不同程度受水利工程影响，比例为73.5%［1］。水利工程位于水文站测验断面的下游时，水文站测验断面处于回水库区内，水文测验断面原有稳定的河流流态受到破坏，不稳定的流态使得水位与流量丧失原有稳定关系。

本研究拟以皂市水库的入库站雁池水文站为例，描述水位流量关系受回水顶托影响的时间分布，运用SPSS的分类回归树模块定量预测雁池站水位流量关系不受回水顶托影响的边界条件，为简化测验方式，减少测验工作量提供依据。

1　概　述

雁池水文站位于湖南省石门县雁池乡雁池坪村，东经110°55′。北纬29°48′，位于澧水一级支流渫水中游，属长江流域澧水水系。该站为湘西北山区区域代表站，皂市水库的入库站，集水面积1 835km2，干流长81km，距河口84km。

下游皂市水库水位上升时产生的回水显著地改变着该水文站测流断面的水流流态，使水位-流量关系复杂化，增加了测验次数和工作强度。测验断面水位-流量关系与水库水位紧密相关。水文站水位-流量关系受库区回水顶托影响机理如图1所示。

图1　下游水工程回水顶托对上游水文站水位流量关系影响示意图

2　数据和方法

2.1数据

本研究中所用数据主要包括：皂市水库2009～2014年间实时水位，入库站雁池水文站2009～2014年间实测流量成果表，以上数据均由湖南省水文水资源勘测局提供。

2.2方法

（1）运用尚未受到下游皂市水库回水顶托影响的2009～2010年期间数据，拟合雁池水文站水位流量关系函数。

（2）根据上述拟合函数探讨该水文站2011～2014年间水位流量关系受回水顶托影响的时间分布及潜在的影响因素。

（3）运用SPSS软件的分类回归树模块定量预测雁池站水位流量关系不受回水顶托影响的边界条件。

3　结　果

（1）雁池站水位流量关系。运用尚未受到下游皂市水库回水顶托影响的2009～2010年期间数据，建立雁池水文站正常的水位流量关系，可用常用的幂函数表示为（R2=0.99），如图2所示。图3所示为2011～2014年间实际的水位流量关系图，可见雁池站在较低水位时受下游水库回水顶托影响程度较大。

图2　雁池水文站水位流量关系图

图3　受顶托影响的雁池水文站水位流量关系

（2）雁池站水位流量关系受回水顶托影响的时间分布。根据上述建立的水位流量关系函数，计算2011～2014年间水位的模拟流量值，将模拟值与实测流量成果表上的实测值进行比较，以偏离10%为限判断是否受下游皂市水库回水顶托影响，若受影响则取值为1，未受影响则取值为0。

从图4可见，皂市水库水位变化呈现明显的规律性，1～6月间水位保持低水位，7～12月蓄水期间保持相对的高水位。与此相对照（图5所示），水位流量关系受影响的时间段主要位于水位快速上涨时期，同时在9～12月高水位期间会持续一段时间，明显说明雁池站水位流量关系的偏离主要是受下游皂市水库回水顶托所影响。

图4　皂市水库水位变化

图5　水位流量关系受影响时间段分布

（3）雁池站水位流量关系不受回水顶托影响的边界条件。运用SPSS软件的分类回归树模块探讨水位流量关系受回水顶托影响的边界条件，该模块基于目标变量（独立变量）自我分层的树状结构，根结点是因变量，预测变量根据卡方显著性程度不断自动生成父节点和子节点，卡方显著性越高，越先成为预测根结点的变量，程序自动归并预测变量的不同类，使之成为卡方显著性。在本研究中，根据收集到659个有效数据（含实测流量、水文站水尺水位和同时段的水库水位），设置目标变量为水位流量关系受影响程度（若受影响则取值为1，未受影响则取值为0），预测变量分别为水库水位和水位差（为水尺水位和水库水位差值）。

若同时取水库水位和水位差作为自变量代入模块时，结果如图6所示，水位差先于水库水位成为预测变量，当水位差大于1.55m时，回水顶托对雁池站水位流量关系没有造成影响，而随着水位差值逐渐减少，水位流量关系受影响的可能性逐渐增大。

若同时取水库水位和水位差作为自变量代入模块，且强行设置水库水位为优先预测变量时，结果如图7所示，当水库水位小于或等于132.41m时，雁池站水位流量关系不受回水顶托影响，而随着水库水位的抬升，水位流量关系受影响的可能性逐渐增大。

图6　预测水位流量关系受影响的水位差分类结果

图7　预测水位流量关系受影响的水库水位分类结果

综上所述，雁池站水位流量关系的偏离主要是受下游皂市水库在高水位时的回水顶托所影响，而且水位流量关系不受回水顶托影响的边界条件为水位差大于1.55m，且水库水位小于或等于132.41m。当雁池水文站水位与皂市水库水位满足此边界条件时，可以依据已建立的水位流量关系推算流量，可减少近50%的实测流量次数，在一定程度上减轻测验强度。

参考文献

［1］郭太友.浅析水利工程对水文测验工作的影响及对策［J］.科学中国人，2015，（8）：9.

作者简介：高耶（1984-），男，博士研究生，主要从事水文水资源和水生态方向的研究。

收稿日期：（2016-02-28）