临时曲线法定线推流问题探讨

陈 杨

(新疆金沟河流域管理局，新疆 沙湾 830052)

0 引 言

八家户站是省级重要水文站，1983年由红山头水文站向上迁33km建立并观测至今，红山头水文站同时撤站。八家户水文站所在测验河段顺直，无岔流、串沟，单式岩石河床，河底为砂砾、卵石，河道有冲淤现象。该站汛期主要用自记水位计观测水位，非汛期为水尺观测，测量设施为LS25-1型流速仪，其畅流期流量资料整编采用临时曲线法，冰期采用实测流量过程线法。

我国相关防洪规范中大多为防洪工程措施的相关规定，水力学计算部分少之甚少，且无具体公式，虽然水力学教科书中进行了天然河道水面曲线的详细论述及计算方法的演示讲解，但是其均属于常规性算法。而天然河道符合测站水文特性的水位-流量、水位-流速及水位-面积关系曲线的定线过程对水文测验、资料整编等要求较高，同时也与定线人员对水文学、流体力学等相关专业知识的掌握与应用程度有关。

1 临时曲线法定线理论

天然河流水文测站集水面积降水量受到流域坡降、水面比降的的影响后而产生的重力加速度形式的流动即为测流断面径流量，净雨量经过坡面汇流、河槽调蓄、水工建筑物拦蓄、引排调节、糙率等的影响和作用后会表现出冲淤及断面形状的变化，断面流速均值[1]可以用以下函数表示：

(1)

当断面流速均值近似为稳定不均匀流速时，可表示如下：

(2)

式中：R为水力半径，即断面面积/湿周，对于宽线河道，可用水深均值h近似代替。

(3)

式中：Q为流量；B为水面宽；h、B均为水位的函数。

由于流量、流速及面积均为水深的函数，所以，八家户站临时曲线法定线线形可借鉴人工渠道[2]表示如下：

A=K1hα，α≥1

(4)

(5)

Q=K3hγ，λ=(α+β)>1

(6)

水位-流量曲线为向下凹进的增值曲线，水位-流速曲线为向上方凹进的渐近曲线，而且在水库回水、水工建筑物、流域面积、地质构造、坡度等因素的影响下，水位-流量曲线和水位-流速曲线形状并不相同。

2 临时曲线法定线推流

2.1 临时曲线法定线及变化规律

临时曲线法对于不经常性冲淤测站以及受水草生长影响的天然河道较为实用，在其水位流量关系稳定的时段进行定线，并以过渡方式连接各临时曲线，进行流量推求。其基本原理为：构建相对稳定时段内的单一关系曲线，并对相邻曲线间过渡时段进行处理，直接根据水位在相应时段曲线上进行流量推求。

八家户站临时曲线法定线示意图详见图1，流域面积、地质构造、坡度及水工建筑物等测站水文特性对水流所形成的综合作用力近于恒定，并对水流形态变化造成影响，影响程度的大小主要与一定时段内雨强、净雨量、产汇流及土壤含水量等因素有关。根据相关原理，水流形态光滑度阻力系数按照下式确定：

图1 八家户站临时曲线法定线示意图

(7)

式中：F为引起断面冲淤变化的水流作用力；γ为河床表层泥沙质及悬移质黏着力；α为水流正投影面积；v为相应流速；G0河床水重量。

根据上式，当F≤G0，水中悬移质下沉并推移至河床形成淤积；而当F>G0，则河床冲刷。考虑到本测站所在流域流速横向分布不均，冲淤并存时有出现，洪水涨水段比落水段冲刷大。通常情况下，临时曲线法定线条数和产流及洪水特性有关，该测站大水年出现几场较大洪水，同水位累计最大断面冲淤面积为104.3m2，最大流量变差16.4m3/s，且水位流量曲线数从非较大洪水期的2-5条增加至较大洪水期的5-11条。在大致相同的产流条件下，各年各曲线及河底平均高程取值均较为接近。

2.2 定线要求

八家户站水文特性主要受到涨落率、冲淤及时段性回水等的综合作用，为确定相关时段，还应进行测站附近水库、筑坝等水工建筑物引排水量，是否存在溃堤、垮坝、引入及分流，水面线有无明显变化，流量、降水等变化过程，是否通过缆道、桥测等测流方法及测流精度，控制性水位、流量及插补方法，产流及断流时间，是否存在漏测较大峰谷的分析。

为采用临时曲线法进行测站定线，应运用较大的比例尺，并放大读数差在2.5%以上的曲线，对于测点数少于5个的情况一般只放大流量线，临时断面测点数少于3个时仅分析流量线，其余曲线不受测点数的限制。所绘制的各曲线均应符合相应水文特性，由于水流表现出很强的渐变性、流动性和相似性，所以各曲线总体变动趋势较为相似，且主线段更加平顺、流畅、圆滑、无交叉、无反曲。

2.3 定线程序

以八家户站推流过程中最大水位变动幅度的25%为准，该幅度以下、中及以上分别对应低、中、高水位级。由于流量是流速和面积的函数，且流速和流量具有一定的互补性，所以应先定水位-流量线，再定水位-面积线，但是流速具有敏感多变性特征，受水情及断面冲淤影响较大，存在较大的定准难度。为此，应采用逆运算，即按照时间序列在时段内流量、面积曲线水位变幅中按照0.2m确定结点，并查出该结点和两端结点水位、流量、面积，根据式V=Q/A并通过校线表进行各结点流速计算，再将各时段水位-流速线相连或合并，即为所求。为保证结果的精确性，还应全面校核时段内各测点，对于存在偏离或交叉的情况应反复修正[3]水位-流量线和水位-面积线，直至将误差控制在允许范围内。

3 水位流量曲线修正

全面校核全部测点，并运用单元分解和排除法定线，即将每场较大洪水确定为一个单元，并通过流量分析图考证离线差较大的测点，用两种不同符号按照时间序列标注第一场一般峰、量小洪水的涨落水段测点，并合定为一条曲线。若第二场洪水测点换线，则应根据本场次洪水涨落水段测点分布情况定线。对于峰次较少的情况全部测点可一次性审核，并确定出整体线形，并跨时段进行合并线所有测点标号及定线。

所绘制出的水位-面积线和水位-流速线应采用峰谷水位自然过渡，尽可能减少曲线重合段，并呈相切、非相割形态。而相割或交叉应为见点连线，尤其对于因峰谷各点所引起的、偏离点可舍弃、不超差的情况，应通过点群定线或合并定线。为减少时段数，应以洪水峰谷水位为换线公共点，但是会增大整体曲线的不合理性，对于较大洪水还应通过起涨水位定线。高水曲线定线应参考流速、面积，低水曲线定线应依据测点流最低河底高程或断流水位进行控制。如遇漏测洪水期或测点较少的情况，应参照相同洪水特性的相关曲线定线。在定线后还应通过视线法进行略反曲线标定，再根据时段数、曲线数最少的原则，重新进行原定曲线编号，并相应确定时段。八家户站水位流量曲线修正示意图，见图2。

图2 八家户站水位流量曲线修正示意图

八家户站水位流量原定线为a、L1、L2为见点连线，变动趋势较为异常，L2-L4低水交点较高，将其修正后得到a’线，并且各测点均不超差；水位-面积原定线为b，L1为借用断面，1号测点与L1为同一场洪水，2、3号测点则为后场洪水落水段的测点，经修正后将上述三个测点合定为一条曲线，仍用L1表示；原定线b表现为“8”字形且与c水位-流量线交叉，线间表示洪峰流量，将其修正后得到c’线。

4 结 论

综上所述，天然河道水文测站临时曲线法定线结果受到水流成因、水库回水、水工建筑物、流域面积、地质构造、坡度等因素的影响，而习惯性见点连线与换线交点不当对定线的准确性影响较大。在充分认识和掌握天然流域测站水流成因及规律的基础上，运用相关理论进行水位-流量、水位-流速等曲线的绘制与定线分析，才能保证临时曲线法定线过程及结果的准确性，并为流域水文分析提供可靠的依据。