基于综合落差指数法的监利（二）站水位流量关系单值化分析

牟芸 吴世勇

摘要：监利（二）水文站位于监利河段，是长江中下游重要控制站。水位一流量关系主要受洪水涨落、断面冲淤、洞庭湖回水顶托等影响，水位一流量关系复杂，多为变形的绳套关系曲线，流量测次较多。选取2010 - 2017年监利（二）站实测水位和流量资料，选用新厂（二）和广兴洲水位站作为落差辅助站，采用综合落差指数法开展水位一流量关系单值化分析，将落差系数设为落差和监利（二）站水位的函数，并采用试错法确定落差指数。结果表明，水位一流量关系单值化分析结果较好，满足现行水文整编规范要求。

关键词：水位一流量关系;综合落差指数法，单值化法;监利（二）站

中图法分类号：P332

文献标志码：A

DOI：10.15974/j .cnki.slsdkb.2019.08.002

1 测站概况

监利（二）水文站是国家基本水文站，一类精度水文站，位于湖北省监利县，东经112°38 ′，北纬29°42′，为长江中游干流控制站。测验河段位于下荆江监利河段，测流断面位于基本水尺断面上游30 m，上下游500 m的顺直河段。洞庭湖在断面下游约90 km处汇人长江，导致本站水位一流量关系受回水顶托影响明显。测验河段平面图如图1所示。

1.1 断面情况

流量测验断面呈偏“V”型，主泓偏右，右岸为陡坡，有水泥块护岸，河床由中细沙组成，汛期冲淤变化较大，近年左岸逐年淤积。三峡水库蓄水前监利（二）站测验断面呈缓慢淤积态势，蓄水后断面呈轻微冲刷态势。断面深泓位置未发生明显变化，但有逐渐加深的趋势。

1.2 水位一流量关系

监利（二）站水位一流量关系主要受洪水涨落、断面冲淤、洞庭湖回水顶托影响，关系曲线呈变形的绳套曲线。监利（二）站至城陵矶（七里山）站水位落差变化是监利（二）站布置流量测次、绘制水位一流量关系曲线的重要参考依据。

2 水位一流量关系单值化方案确定

目前，长江干流宜昌站[1]、沙市（二郎矶）站[2]、螺山站[3]以及汉口站[4]等均采用综合落差指数法开展水位一流量关系单值化分析，效果较好。监利（二）站水位一流量关系影响因素与以上各站大致相同。因此，考虑采用综合落差指数法开展水位一流量单值化分析。校正流量因素计算公式为式中，g为校正流量因素;Qm为实测流量，m3/s; Ki为流量改正系数;K2为综合落差改正系数;△Zm为综合落差，m;a为落差指数。

2.1辅 助水尺的选择

监利（二）站上游水位站主要有新厂（二）、石首（二）、调弦口等站，离基本水尺断面距离分别约为80.0，66.5 km和34.1 km;下游水位站主要有广兴洲、城陵矶（七里山）等站，離基本水尺断面距离分别约为26.4 km和83.6 km。通过组合试错法，最终选择新厂（二）站和广兴洲站作为落差辅助站。新厂（二）站与监利（二）站落差反映上游来水影响，监利（二）站与广兴洲站落差反映下游洞庭湖回水顶托影响。

2.2 分析资料的选择

考虑到监利（二）站基本水尺于2010年1月上迁6 km，从左岸迁至右岸，分析资料选用监利（二）站2010～ 2017年共8a的实测水位、流量和整编资料，总计510次实测流量。样本资料中实测最高水位36.22 m，最低水位24.68 m，实测最大流量35 600m3/s，最小流量5 870 m3/s。样本资料中丰水年份有2012年、2014年、2017年，平水年份有2010年、2015年，枯水年份有2013年，资料代表性较好。同时选用新厂（二）站和广兴洲水位站2010～ 2017年水位整编成果。以上资料工序完善、精度可靠。

2.3 Km、a的选择

3 水位一流量关系单值化方案精度分析

3.1 水位一校正流量关系曲线

通过以上建立的水位一流量关系单值化方案，根据选用的资料分别计算监利（二）站2010～ 2017年各年实测流量对应的校正流量，绘制各年水位一校正流量关系曲线，并进行3种检验，各年定线精度如表1所示。

从表1可以看出，监利（二）站各年水位一校正流量关系曲线定线精度均优于规范对一类精度站所要求的标准。SL247-2012《水文资料整编规范》对一类精度水文站采用水力因素法的定线精度指标为：系统误差≤+2%，随机不确定度≤10%。

对各年水位一校正流量因素关系曲线进行分析，发现某些年份局部时段的校正流量点据存在不同程度的系统偏离现象，这些情况一般出现在洪水涨落急剧或者峰顶峰谷附近某一时段，由于持续时间较短，总体来说对推求流量成果影响不大。

3.2 整编成果精度分析

按照以上水位一流量关系单值化方案，采用南方片水文资料整汇编软件，对监利（二）站2010～2017年各年资料重新进行整编，推求流量整编成果。为了检验监利（二）站水位一流量关系单值化方案的推流精度，以监利（二）站历年采用的连时序法流量整编成果为标准，分别计算、统计各年综合落差指数法与连时序法各项流量特征值误差，误差统计如表2所示。从表2可看出，各项流量特征值误差较小，各年年平均流量和年径流量误差均在±1%范围内，单值化方案整编成果精度较高（由于平均流量保留3位有效数字，所以相对误差和年径流量相对误差值不完全相等）。

3.3 洪水过程分析

通过对2010-2017年各年连时序法和单值化方案推求的逐日平均流量过程线对照图和最大洪水绳套曲线对照图进行分析，以2017年为例，逐日平均流量过程线对照图如图2所示，最大洪水绳套曲线对照图如图3所示。

由图2-3可知，两种方案推求的逐日平均流量过程线总体上对应较好，但在某些时段也不能很好的重叠，分析原因主要有两点：①连时序法绘制水位一流量关系曲线时，某些局部时段一般采用合并定线，导致此时段存在一定的系统偏离;②落差辅助水尺处水位对河段水位落差变化反映不够灵敏，导致峰顶峰谷的转折处以及相邻两次洪水过程之间的小幅洪水变化过程对应不佳。

对于同一洪水过程，采用单值化法和连时序法推求的洪水绳套曲线线型基本一致，但吻合度不高，主要是因为复式洪水水位涨落变化频繁，水位一流量关系比较复杂，用有限的流量测点拟合的水位一流量关系人为均匀化了流量变化过程，与实际的水位一流量关系在某一时段不一致。虽然吻合不佳，但相对偏离不大，推求的流量相对误差较小。

3.4 相应流量报汛精度分析

采用上一年拟合的水位一校正流量关系曲线开展相应流量报汛，以当年采用连时序法整编推求的实时流量成果为标准，分别计算目前的报汛方案、单值化报汛方案的相应流量误差，具体选择2017年每日08：00报汛资料进行误差分析，统计结果见表3。

从表3可以看出，与年终采用连时序法整编推求的时段流量比较，采用水位一流量关系单值化方案报汛，系统误差为1.25%，平均误差为3.O9%（查读实时水位流量关系曲线报汛系统误差为1.28%，平均误差为4.04%），相应流量报汛精度优于目前采用的查读实时水位一流量关系曲线报汛精度。

4 结语

采用综合落差指数法对监利（二）站水位一流量关系开展单值化分析，将落差系数设为落差和监利（二）站水位的函数，并采用试错法确定落差指数。水位一流量关系单值化分析结果较好，满足现行水文整编规范要求，投产使用后，能够大幅度减少流量测次，降低测验成本，减少劳动强度，提高相应流量报汛精度。但是当测验河段局部时段出现断面冲淤变化大、洪水陡涨陡落、回水頂托严重等特殊水情时，该单值化方案使用效果欠佳，需要恢复连时序法开展流量测验和整编。今后要加强对Km1、Km2的计算与分析，解决该方案对于特殊水情拟合度不高的问题。

参考文献：

[1]王振洋，王宝成，樊丽娜，等，三峡水库一葛州坝水库调度影响下宜昌站流量单值化方案优化[Jl.水利水电快报，2019，40（2）：35-38.

[2]吴世勇，刘晓琴，彭艳明.沙市（二郎矶）站水位流量关系单值化分析研究[J].人民长江，2010，41（21）：42-44.

[3] 陈建湘，王涛，汪卫东.螺山站水位流量关系单值化研究与创新[J].水文，2011，31（1）：154-157.

[4] 张亭，吴尧，汉口水文站水位流量单值化方案及其应用[J].人民长江，2014，45（9）：39-42.