藕池（管）站水位流量单值化方案分析及应用探讨

魏 轩，魏林云

（长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州，434020）

0 引言

藕池（管）水文站属控制长江四口分流藕池河的国家基本站，且为长江荆江河段重要的防汛测报站，研究其控制断面的水位流量关系，对水文测验、河道行洪能力分析以及洪水调度与预报等工作具有非常重要的意义[1]。然而受洪水涨落、断面冲淤、洞庭湖回水顶托以及通断流[2]等多重因素的影响，该站水位流量关系通常呈不稳定的形态，即水位与流量呈多值关系，这种关系致使水文测验时机难以控制、布置测次多且获取数据时效性不强等，而且给洪水预报、水文计算带来不便，因此对藕池（管）站水位流量单值化关系的分析研究具有重要的意义。

1 测站概况

藕池（管）站始建于1952年7月，位于长江四口水系藕池河段，地理位置为东经 112°19′、北纬 29°44′，是国家一类流量精度站，其基本水尺断面上游约19.0km为长江分流藕池河口，约2.0km的右岸为安乡河口，1.7km有凤凰洲，248m为管家铺大桥；基下600m有浩吉铁路大桥，下游约1.4km有岳宜高速公路大桥，下游约10km藕池河分东中两支，再下游分为多支流入洞庭湖，附近河段概况如图1。测验河段顺直长约1.5km，断面为槽式断面，主泓偏左，在起点距190～265m之间摆动。河床左部为黄土，基本稳定；河床右部为沙质逐渐淤高，断面右岸有100m左右滩地，漫滩后出现死水。

藕池（管）站水位流量关系主要受洪水涨落、断面冲淤、洞庭湖回水顶托影响，关系曲线呈不规则的绳套关系。2009年藕池（管）站以其上游23.8km处长江干流新厂（二）站和其下游约51.0 km的南县（罗文窖）站为综合落差辅助站，按单值化方案布置测次。2014年因下游水利工程施工，严重影响藕池（管）站水位流量关系，2015年恢复连时序布置测点。2016年初施工完成，水利工程对测站特性的影响才逐渐减弱。

为恢复采用单值化方案布置测点，2016-2020年藕池（管）站采用连时序布置测点进行测验，现对已收集5年的水位流量资料重新进行了单值化分析，得出符合规范要求的单值化方案，可以达到大幅度的减少流量测次，降低测验成本和职工劳动强度，为实现智慧水文、和谐水文提供技术支撑。

2 水位～流量关系单值化方案确定

通过对藕池（管）站水位流量关系影响因素进行分析，并结合测验河段上下游目前现有的水位站网布设情况，认为藕池（管）站采用落差指数法[3-4]开展水位流量单值化分析[5]比较合适，校正流量因素计算公式为

式中：q为校正流量因素；Qm为实测流量，m3/s；k1为流量改正系数；α为落差指数，k2为落差改正系数，Zm为综合落差，m；Z0为本站水位，m；Z1为上游辅助站水位，m；B0为落差改正值。

2.1 辅助水尺的选择

按现有水文站网布设情况，参考落差指数法单值化方案原理以及原单值化方案，选定上游23.8km的新厂（二）站、下游51.0km的南县（罗文窖）站，组成不同的综合落差进行分析。经分析发现，因南县（罗文窖）站距离藕池（管）站距离较远以及下游分支交汇复杂，导致此下游辅助站不能较好反应回水顶托的影响因素，代表性不足，故只选用新厂（二）站作为落差参证站。

2.2 分析资料的选用

分析资料选用藕池（管）站2016-2020年水位、流量实测资料和整编成果，总计340次实测流量。在样本资料中实测最高水位39.05m，最低水位29.04m，实测最大流量3 340m3/s，最小流量-241m3/s，以及与之对应的落差参证站实测水位资料。

2.3 改正系数和落差指数的确定

采用计算机编程程序，用试错法不断调整参数，同时采用式（1）计算各实测流量对应的校正流量，分年绘制水位～校正流量关系曲线，反复多次，直到各年水位～校正流量关系曲线均能够满足单一曲线定线要求，并通过3种检验和年特征值误差计算，包括符号检验，适线检验和偏离数值检验等，最终确定的参数值为k1=1，k2=1，B0=0.247，α=0.5。

藕池（管）站水位流量关系单值化（综合落差指数法）方案最终为：

3 水位流量关系单值化方案精度分析

3.1 水位～校正流量关系

通过以上建立的水位～流量关系单值化方案，根据选用的资料分别计算藕池（管）站2016-2020年各年实测流量对应的校正流量，绘制各年水位-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。

表1 藕池（管）站水位-校正流量关系曲线定线精度统计

从表1可以看出，藕池（管）站水位流量关系单值化方案定线精度均满足水文巡测规范对一类精度巡测站所要求的标准（一类站水位流量关系采用单值化方法处理后系统误差的绝对值不大于2%，单值化关系线定线允许随机不确定度高水不超过12.0%，中水不超过14%）。

3.2 整编成果精度分析

按照以上水位～流量关系单值化方案，采用南方片水文资料整编系统软件，对藕池（管）站2016-2020年的资料重新进行整编，推求各年流量整编成果。为了检验藕池（管）站水位～流量关系单值化方案的推流精度，以藕池（管）站2016-2020年来采用的连时序法流量整编成果为标准，分别计算、统计各年单值化法与连时序法各项流量特征值误差大小。

3.2.1 月、年平均流量对照

月、年平均流量方差分析见表2。从监测数据及分析结果得知，除部分月份因通断流时期月平均流量基数太小引起的误差较大外，各年其它月份平均流量特征值误差较小（均控制在±5%以内），与连时序推流成果相比无显著性差异，各年、月特征值出现日期基本一致。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。

表2 藕池（管）站月、年流量方差分析统计表

3.2.2 年内最大各日洪量对照

藕池（管）站连时序法与落差指数法整编最大各日洪量方差分析统计见表3。年内最大各日洪量误差在-1.7%～3.8%之间，大于3.0%的洪量误差出现1次，其它洪量误差均在-1.7%～2.2%之间，从方差分析结果中可以看出，采用落差指数法求得洪量与连时序法相比无显著性差异，能满足流量资料整编要求。

表3 藕池(管)站最大各日洪量方差分析统计表

3.3 洪水过程分析

通过对2016-2020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2020年为例，逐日平均流量过程线对照如图2所示，最大洪水过程对照如图3所示，典型洪水场次水位流量关系还原对照如图4。通过2020年相关过程对照图可以看出，大部分时段连时序法和水位流量关系单值化方案推求的过程总体上对应较好，但在某些时段不能很好的重叠，主要原因是采用连时序法绘制水位流量关系时是按时间和本站实测流量及水位变化推算，在定线推流时往往为追求曲线圆滑美观，人为将线形合并，使日均流量平滑过渡，致使局部时段存在误差。而采用水位流量关系单值化方案推流逐时综合考虑了落差顶托因素的影响，更接近实际情况。

4 单值化方案应用

该方案于2021年开始投入使用，在布置测次时主要以水位的涨落幅来控制，并使涨落水面测次分布均匀。单值化方案应用满足整编定线的精度要求，推流成果也达到水文资料整编规范[6]要求。

5 结论与建议

通过以新厂（二）站作为落差参证站对藕池（管）站2016-2020年实测流量进行落差指数法[7]单值化方案处理后，各项误差检验结果均在误差允许范围之内，精度分析满足规范要求，因此本单值化方案可行，同时能够大幅度减少流量测次，降低测验成本，减少劳动强度。但是当发生特殊水情（如回水顶托严重）、防汛调度需要或测验河段水流特性发生重大改变时，该单值化使用效果欠佳，应及时恢复连时序法布置流量测次。

因单一落差不能有效解决下游回水顶托及断面冲淤变化对水位流量关系的影响，今后要进一步结合下游辅助水位站资料，建立综合落差关系进行补充分析，对本单值化方案进行优化调整。