基于水位流量单值化处理的测验条件分析

赵文旭

（陕西省水文水资源勘测局，陕西 西安 710068）

1 引言

流量是江河水资源状况以及湖泊、水库等水量变化衡量的重要因素。流量测验则是反映江河径流、水量瞬时变化资料的重要手段。建立河流、渠道水位流量相关关系是水文测验掌握河流变化规律的重要方法之一。通过时段内断面实测水位、流量数据及时建立或修正相关关系不仅可以反映定时期内河流、渠道两者变化规律，而且还可预测范围要求内的流量大小，起到河流洪水预防效果。

探索水文要素之间规律是水文测验的重要目标之一。通过基本水尺断面水位观测，依靠流量测验断面确定断面流速，建立水位流量相关关系。依据关系可提高测验精确度、简化测验步骤。实时测验水位、流量可起到精准校验关系效果，为实现河流水位流量测验可控、可预测做好铺垫。率定各种气候条件下的河流水位流量关系条件，则是简化测验步骤的必要条件。

2 水位流量关系

水位流量关系建立一般是基于测验河道内固定的基本水尺断面、测流断面随时间无大的地形变化，相对河流流量的测验比较稳定；布设水位、流量测验设备相对固定，测验方式不变或者相近。能确保所测量的水位、流量数据形成稳定的资料系列。

2.1 断面流速测验

断面流速测验要求断面处河流经过的地势平缓、河流顺直段，河内无大的石砾或者泥沙相对稳定处。流速测验一般均采用类微分积分布点，逼近平均流速法计算获得。可选取单点测点或区域面（剖面）等。可用下式表示：

式中：V 为沿河流方向脉动流速；l、h 分别为断面水宽、断面水深为流速在面单元上的分布；N1，N2分别为水宽、水深上的测量单元点数。

断面流速测验通常采用点流速测法，即利用断面上固定一点流速与平均流速建立相关系数，通过测量一点流速大小，计算得到断面平均流速。点测流速通常借用流速仪、浮标、声学传输介质、磁力场等设备。

2.2 断面流量测验

流过测验断面的瞬时流量，即断面径流量,河流流量测量时，由于地形地貌、自然环境等影响因素，无法做到时刻对应，因此测验一般是通过以下步骤完成：

（1）断面面积测量。

河底高程测量 Ht′″,n′″，计算时段内河底平均高成减去河底高程即得到断面水深；推算时段内断面面积At′,n′。

（2）流量推算。

通过所测的断面平均流速与断面面积相乘即得断面流量，即流量（T：时段，N：测次)，其中为测流断面平均流速。

另外还可用比降公式推算流量。测验河段内河流比较顺直，河床无明显的变化且流量断面上下游比降比较明显，当河水较大或涨落急剧、流速仪来不及施测时，可采用比降面积法。即：

其中A、V、n、R、S 对应为测验河段的平均断面面积、流速、糙率、水力半径、比降。

2.3. 水位、流量测验采用仪器

流量测验时，由于河流流水特性在多时条件下比较复杂，流量测验断面采用手段比较多。一般一年内枯水期流量采用流速仪测验流量数据系列为Q1, 小浮标测验流量数据系列为Q2；低水期流速仪、电波流速仪对应Q3、Q4；中水期采用流速仪、均匀浮标、雷达流量计对应Q5、Q6、Q7；高水期采用中泓浮标、雷达流量计、比降面积计算等对应 Q8、Q9、Q10……

2.4 水位流量单值化处理

通过数年连续时间段内对测验断面的流量测验，形成流量数据系列：（T1（Q11，Q12，……Q1n)、T2（Q21，Q22，……Q2n)……Ti（Qi1，Qi2，……Qin),i 为整数年，n 为测验系列个数）。τn为（Q11，Q21，……Qi1）、（Q12，Q22，……Qi2）……（Q1n，Q2n，……Qin）关系变换。

若τ1=τ2=……=τn，且水位流量在时间段内为单值对应，则水位、流量为一对一关系。亦可关系变换后可用单一曲线衡量测验过程的水位、流量偏差，测验中常用函数曲线逼近处理，绘制出关系曲线。τ 若为 1 变换，则水位、流量是天然理想对应状态。τ1、τ1、……、τn互为不全相等的变换，且水位与流量在时间段内经过τ 变换处理可以为单值对应。则流量是单值化处理条件下与水位的对应关系，可用单一曲线衡量测验过程的水位、流量偏差，测验常用函数曲线逼近处理，绘制出关系曲线。

（（Qi1，Qi2，……Qin）在测验条件比较复杂条件下，水位、流量呈无规律分布，则测验一般以单独系列分析为主。

3 测验条件分析

3.1 测验断面布设

陕西省跨黄河、长江两大流域，在地理分布在东经105°29′～111°15′，北纬31°42′～39°35′间，按照站网布设原则，全省水位、流量测验数据系列的断面分布[1]见图1。

图1 陕西河流流量测验断面分布

3.2 河流及断面特征

黄河流域窟野河、无定河、延河、北洛河及其支流地处黄土高原、关中平原区。陕北黄土高原地势呈西北高，东南低。地貌多为黄土塬、梁、峁、沟等。黄河主干在此区域以南北走势为主，支流河以西北至东南流向。气候多属中温带干旱大陆性季风气候，夏雨骤而历时短、雨量分布不均，冬干燥、寒冷、多风沙。根据河流水文特性、河段地势特点，现设有13 处基本水文站连续监测水位流量，形成了连续数据系列。窟野河神木（二）测验断面河流汛期表现水位峰高，水量小，流量峰历时短的特性，偶有复式峰，低水监测水位、流量受人类活动影响程度较大；无定河赵石窑站渠道测验水位流量关系曲线单一，河道断面测验流量则受影响因素较多；延河安塞测验断面汛期水位峰高，水量小，流量峰历时短。北洛河刘家河、交口河、状头分属上、中、下游，河流测验断面特性均表现为水位变化急剧、流量峰高量大，历时较短。

渭河、泾河、伊洛河及其支流处于关中平原区。关中平原地势西高东低，中部较为平坦宽阔，地貌多显阶梯状。气候属温带季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。现有31 处连续水位流量监测断面数据，其中渭河、泾河、伊洛河干流上林家村（三）、魏家堡（眉县）、景村、张家山、灵口测验断面，水位、流量随环境变化较大，水峰主要来源于降雨。

长江流域汉江、嘉陵江、丹江及其支流处于秦巴山地。地势北高南低，气候多属亚热带季风气候，雨量充沛，气候湿润。现连续监测水位流量有42 处断面，嘉陵江略阳测验断面水峰主要由降雨形成，水位流量变化比较急剧。丹江丹凤（三），汉江汉中、安康（二）测验断面受影响因素较多，水位流量变化复杂；蜀河测验断面呈现水位流量峰高量小、历时短的特性。各河流测验特征统计见表1。

表1 各代表河流断面水文特征值表

3.3 断面控制条件分析

3.3.1 实测大断面

河流经过固定大断面测量，和断面垂线上流速测量的有限点累积形成流量值，所以断面面积测量、计算直接影响流量成果。

流量单值化条件下，河流窟野河、无定河、延河、北洛河测验断面冲淤变化较大；渭河、泾河、伊洛河测验断面相对稳定，但测验条件变化比较复杂；汉江、嘉陵江、丹江测验断面比较稳定。通过对泾河支流黑河张河测验断面1994 年～2015 年的变化分析，2011 年～2015 年断面淤积，如图2 所示，再选取断面1994年～2015 年实测流量值，点绘水位流量关系图，见图3，而2011年～2015 年测点明显在水位流量关系曲线上方，同一级水位而流量偏小，从而说明断面的变化对水位流量关系影响较大。

断面的冲淤变化直接影响水位、流量关系确定，是水位流量单值化条件下最大的影响因素。

3.3.2 测验方法

确定水位流量关系特性采用的一般方法有：综合落差指数法、拟合法。拟合法:通常包含幂函数（抛物线）法、双曲线法、多函数逐步回归法。

综合落差指数法[2]实测流量，ΔH:测流时间内的落差，β 落差指数。则衡量流量影响因素主要有：（1）河流上游来水涨落率；（2）河流下游回水；（3）断面冲淤变化；（4）条件下干预河流其他因素。

图2 黑河张河测验断面历年

水位流量单值化是在测验条件多变条件下，通过寻求水位流量关系，达到预测河流量目的。基于关系率定条件，一般分为稳定河床水位流量关系单值化处理和不稳定河床水位流量关系单值化处理。稳定河床水位流量关系可通过单一曲线或者分时分段曲线判定适应条件单值化处理，对于不稳定河床水位流量关系可通过界定条件或者变换影响关系来率定，使得水位流量单值化，如：组合因子法[3]、模糊粗糙集理论处理法[4]等。

陕西省汉江各河流流域水位流量单值化处理多采用综合落差指数法，由于汉江、嘉陵江、丹江测验断面较稳定，单值化率已近70%，渭河、泾河、伊洛河测验断面相对稳定，单值化率已近50%，窟野河、无定河、延河、北洛河测验变化比较复杂，单值化率定仅达20%。

3.3.3 测验设施设备

在陕西段各河流断面流量测验一般采用流速仪、浮标、雷达流量计、电波流速仪等设施设备作为测流仪器。通过施测一点与断面平均流速相关系数推算或者多点类积分逼近平均流速法计算断面流量。如果受测验环境限制，则通过断面上下比降测量推算流量，流量变幅与河段比降变幅相关[5]。

4 结论

分析水位流量单值化条件，优化测验方法、简化测验步骤，为全面实现水文巡测创造技术条件。但由于河流状况参差不一，水文特性随着环境条件多端变化，水文测验新技术不断发展，设施设备不断自动智能化的促进下，寻求测验环境下的共同条件，节约测验资源，进而自动一体控制河流测验就显得尤为重要。