单一水位流量关系曲线高水延长方法分析

马经安

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000)

单一水位流量关系曲线高水延长方法分析

马经安

(长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000)

介绍了单一水位流量关系曲线高水延长的常用方法。以某水文站实测资料为例，对在执行《水文资料整编规范》中如何合理进行高水延长进行分析。实际应用表明，史蒂文斯法适用于河段顺直、断面稳定的测站，其计算方法简单实用，延长成果精度较高，可作为优选方案。一般应采用两种及以上方案分别延长，并对成果进行对比分析，再根据测站实际情况选用延长成果。

水位流量关系曲线；高水延长；水文监测；史蒂文斯法

1 研究背景

高洪水时期，天然河道的流量测验经常受测验设施和时效性的限制，难以完全测到整个高洪流量过程，这种现象在中小河流和山区型河流中尤为明显。这就需要对水位流量关系进行高水延长，其结果对洪水期流量过程的主要部分，包括洪峰流量在内都有重大影响，甚至影响规划设计时洪峰流量频率的计算。因此必须对选用的高水延长方法和其成果精度进行分析，为水位流量关系曲线的延长提供技术支撑。

2 高水延长的主要方法

常用的水位流量关系曲线高水延长方法主要有水位面积、水位流速关系曲线法，水力学公式法，综合单一线法和邻近站相关法等。主要根据实测大断面的冲淤变化程度来选用延长方案，当流量断面冲淤变化程度较小时，可采用水位面积、水位流速关系曲线法和水力学公式法，如果水位流量曲线多年来较稳定，可采用综合单一线法进行趋势延长。若断面冲淤变化急剧，在高水位时无法借用洪峰前后的大断面资料，可采用邻近站相关法。实际整编中需要高水延长的水位流量关系曲线都为单一线型，因此本文对几种常用高水延长方法的分析比较均基于单一水位流量关系曲线。

2.1 水位面积、水位流速关系曲线法

控制良好的测流断面，一般断面冲淤变化较小，各级水位下的水位面积、水位流速关系曲线的实测点密集成带状，曲线趋势符合水文规律，无明显系统偏离，宜选用水位面积、水位流速关系线法进行高水延长。

根据高水时期的实测大断面资料，计算并点绘水位-面积关系曲线，根据实测流量资料点绘水位-流速关系曲线，高水的水位流速曲线常趋近于与纵轴接近平行的直线，根据此特性，可顺实测的水位流速关系曲线趋势向上延长，查读出延长部分各级水位相对应的面积和流速，计算出相应流量，据此便可确定延长部分的水位流量关系曲线。

2.2 水力学公式法

2.2.1 曼宁公式法

(1)

式中,Q为流量，m3/s； n为河床糙率；R为水力半径，m；S为水面比降；A为断面面积，m2。

2.2.2 史蒂文斯法

采用谢才公式：

(2)

(3)

2.3 综合单一线法

如果河槽控制和断面控制良好，河底坡降均匀，河床冲於变化较小，基本水尺位置固定，其多年的水位流量、面积、流速关系曲线呈单一线且无突变，可综合历年Z～Q关系曲线作高水延长。延长时将历年和本年的实测高水资料合绘在一起，按历年曲线趋势并参照本年的断面冲淤、流速和比降变化情况定综合线进行趋势延长[1]。

3 高水延长实例

3.1 测站情况

现以某站2012年实测流量资料为例，进行高水延长计算分析。该站为工程专用站，所属河流为典型的山区型河流，测流断面控制较好，河床冲於变化小、断面稳定，其水位流量关系曲线为单一线型。当年洪峰为设站以来最大洪峰，实测最小流量为48.5m3/s，相应水位为1 518.27m，实测最大流量为1 080m3/s，相应水位为1 521.69m，最高水位为1 522.87m，高水部分延长超过了当年实测流量所占水位年变幅的30%，依据《水文资料整编规范》的要求，需至少采用两种方法作高水延长，并进行比较分析。因该站无比降和糙率资料，且设站年限较短，历史资料中无实测高水资料，水力学公式法中的曼宁公式法为顺趋势延长，具有一定的任意性，而史蒂文斯法为沿直线延长，成果精度较高，因此分别采用水位面积、流速关系曲线法和史蒂文斯法进行高水延长。

3.2 水位面积、水位流速关系曲线法

过水断面面积采用当年实测大断面测量成果计算，最高水位1 522.87 m，相应的断面面积为397 m2，平均水深为 5.2 m。

断面平均流速采用水位流速关系曲线(图1)趋势延长，水位1 522.87 m时查得平均流速为4.37 m/s，由方程Q=VA计算得流量为1 730 m3/s。

图1 水位流速关系

图关系曲线

3.3 史蒂文斯法方案

图3 Q～AR关系曲线

3.4 成果分析

两种方法结果十分相近，绝对误差为60 m3/s，相对误差为 3.4%，说明采用以上两种方法进行曲线延长是可靠的。从工程设计安全方面考虑，选取流量大者。综合分析采用史蒂文斯法计算的最终结果，即流量为1 790 m3/s，断面平均流速为 4.51 m/s。

4 结 论

(1) 水位流量关系曲线高水延长方案的选取需要从测站特性和已有资料方面综合考虑，一般需要河槽控制和断面控制较好，断面冲淤变化小，水位流量关系曲线为单一线型的条件。

(2) 要获得更高精度的延长成果，需要日常流量测验精度高，尽可能测更高水位级的实测流量资料，最好能达到平均流速拐点的上方；要求实测大断面资料详细可靠，能反映断面面积随水位变化的真实情况。

(3) 史蒂文斯法适用于河段顺直断面稳定的测站，其计算方法简单实用，延长成果精度较高，可作为优选方案。

(4) 一般应采用两种及以上方案分别延长，并对成果进行对比分析，根据测站实际情况选用延长成果。

[1] SL247-2012 水文资料整编规范[S]．

(编辑：李 慧)

2017-03-31

马经安，男，长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，工程师.

1006-0081(2017)06-0025-03

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