干流水位顶托影响下的支流水位～流量关系探索

梁秀日方，邱天尧

（松辽水利委员会水文局黑龙江中游水文水资源中心，黑龙江 佳木斯 154000）

0 引言

洪水顶托是指洪水运动波在河道传播过程中，遇到某种阻碍后向上游反射的一种水文现象[1]。一般表现为流速减小，水位顶托壅高，泥沙淤堵、水流倒灌等。

水位～流量关系是根据河道某一断面多次实测流量与同时水位资料进行水文资料整编得到的两者之间对应关系，通常用以水位为纵坐标、流量为横坐标的“水位～流量关系曲线”来表示。

水位～流量关系是水文计算、洪水预报的重要依据，在水文预报、水文计算、水利管理工作中常用来进行水位、流量间的换算。有了可靠的水位～流量关系，不仅可以在减少流量测验次数的情况下，满足水文测验规范要求的精度，有效控制水位～流量过程，还可以通过水位流量关系推算、预报出需要的水位、流量数据，供水文计算、洪水预报、防汛调度分析使用，因此，水位流量关系具有重要的实用意义。

无支流汇入的单一河道，一般水位～流量关系较为稳定，通过对系列水文测验数据的整编，可以得出单一的线性水位～流量关系曲线，作为水文资料统计、洪水预报、防洪减灾决策的重要数据支撑。但通常情况下，干流会有多条支流汇入，汇合点附近受干、支流回水互相顶托影响，水位～流量关系错综复杂，给水情预报工作带来很大的困扰，通过对干、支流回水顶托影响规律分析，建立顶托影响下的水位～流量关系，是洪水预报工作需要解决的一个重要问题。

1 区域概况

以我国东北地区某干、支流汇合区域（简称H～W 区域）为研究对象，该区域为干流H 江与支流W江的汇合区域。H江与W江分别设有水文站（A，B），所设水文站与汇合口均有一定距离，汇合口处无水文监测站点。由于H江与W江的水量、地势及来水条件不同，致使支流W江汇入时经常受到干流H 江高水位阻挡，流速减小，改变原来的水体运动及河床演变规律，引起水位壅高，形成顶托，致使泥沙沉积加大，甚至河水倒灌等水沙灾害，造成W江沿岸农作物欠收或绝产、道路受损交通中断、房屋建筑物损毁及其他财产损失等。因此，总结分析H 江对W 江洪水顶托规律，在今后的洪水预报、防洪调度、防汛抢险等工作中意义重大。

总结分析H 江对W 江的洪水顶托规律，通常需要两个水文站及汇合口处控制断面的系列水文测验资料来进行对比、演算、分析，从中查找规律。由于汇合口处没有水文监测站点，不具备开展流量测验的客观条件，无法取得两江汇合后的水位、流量数据，目前只能通过两个水文站现有的水文资料来查找、推断、分析H 江对W 江的洪水顶托影响规律。

2 分析目标

以设在W 江水文站（B）断面水位～流量关系为分析目标，探索其受H 江水位顶托带来的影响变化。2019 年，H 江发生较大洪水，B 水文站断面上游来水量较小且水量相对稳定，但B 水文站水位却持续上涨，幅度很大，且较长时段内处于高水位状态，水位～流量关系曲线很不稳定，关系线多次发生反曲、逆时针绳套现象，这种水位升高现象不是源于上游来水，而是由于下游两江汇合处水流受干流高水位洪水顶托，下行受阻后向上游反射引起的水流顶托壅高，是非常典型的干流顶托支流案例。选取2019 年6—9 月，A，B 两个水文站断面水位～流量关系数据资料进行分析，其间B水文站共计开展流量测验35 次，采用实际测验所得数据绘制得出水位～流量关系图，如图1 所示，图1 中1～8 点依次表示B 水文站断面水位～流量关系点随时间发生变化的顺序过程；采用A 水文站水位和时间数据绘制水位～时间关系图，如图2所示，图2 中1～9 点表示水位节点。

图2 H 江A 水文站 时间～水位关系图

3 顶托规律分析

此次通过分析水位、流量涨落关系的同步性（无顶托时应为单一线性关系），查找与无顶托情况下单一线性关系产生较大偏移的时间段，进一步判断是否存在顶托现象。对图1、图2 进行对比分析可以发现，两个水文站虽然不在同一条河流，但B 水文站流量受顶托影响产生绳套曲线的时间和变化过程与A 水文站时间～水位变化存在一定的关联。

选取图1 中“1—2”段、“2—3”段、“3—4”段几个典型时段进行分析，尝试从3 个方向进行分析探索W 江受H 江高水位顶托情况，进一步总结洪水顶托规律。

3.1 分析A 水文站水位临界值（HA）

1）图1 中“1—2”段，水位～流量关系稳定，呈单一线性，流量随水位变化比（关系线斜率）K1约为10.55，此时段W 江B 水文站断面水位没有受到顶托，或顶托很小可以忽略。图1 中“1—2”段，在时间上与图2 中“3—4”段相对应。

2）图1“2—3”段中，B 水文站断面水位下降缓慢，变幅较小，同时段相应流量却急剧减小，变幅较大，特别是“点2”附近时段出现了水位上涨、流量却减小的现象，即流量变化率为负、水位变化率为正，流量随水位变化比K2约为86.92，与不受顶托情况下的单一关系线斜率出现较大偏差，水位～流量关系线开始出现反曲、逆时针绳套形态。此时间段水位～流量关系线斜率与不受顶托情况下的关系线斜率比值K2/K1为8.24%。这种现象表明，B水文站断面此时段内水流下行受阻，受到顶托影响，流速减小，致使水位雍高，水位雍高高度随受顶托程度变化而变化。

由以上两种情况推断，在A 水文站断面存在一个顶托水位临界值HA，当A 水文站水位低于这个临界值以下时（图2 中“3—4”段），H 江对W 江不产生顶托，或顶托影响很小可以忽略；当A 水文站断面水位达到这个临界值HA时（约在图2 中“点4”位置），H 江对B 水文站断面水位开始产生顶托影响，如图1 中“2—3”段。由于A，B 两站距离汇合口处均有一定距离，B 站受到顶托影响的时间比图2 中“点4”时间延后，具体延后时长受两江来水条件等因素影响，需要通过多年实测水文资料数据来进行分析、总结。

3.2 分析两个水文站断面水位高差的顶托临界值( HAB)

图2 中“4—5”段，水位为持续上涨过程，且高于HA，B 水文站断面与此时间段相对应的图1 中“3—4”段却开始大体呈线性趋势，水位～流量关系关系斜率K3约为17.96，与不受顶托情况下的水位～流量关系线偏移程度越来越小，最后趋于一致。这种现象说明，B 水文站断面在该时段内水体下行运动受H 江水位顶托影响越来越小，甚至趋近于无顶托。此时间段水位～流量关系线斜率与不受顶托情况下的关系线斜率比值K3/K1为1.70 % 。形成这种现象的原因考虑是B 水文站断面水位在此前受H 江的持续顶托下，水位不断雍高，与A 站水位高差逐渐缩小，随着两江水位高差逐渐缩小，H 江对W 江的水位顶托影响也逐渐减小，当两江水位高差缩小到某一数值时，H 江对W江水位不再形成顶托，或顶托很小可以忽略。这个数值在本文中定义为两个水文站断面水位高差的顶托临界值HAB，即当H 江A 水文站断面水位高于HA，但两个水文站断面水位高差低于HAB以下时，B 水文站断面水位～流量不受顶托影响，呈单一线性关系。

3.3 分析两个水文站流量比

选取两个水文站测验断面2019 年6—9 月实测水文资料，计算B 水文站水位顶托壅水高度、A和B 两个断面流量比值，并分析变化过程，对比分析不同时期两个水文站流量比(QB/QA)变化，可以得出两站流量比均小于1，且流量比越小，B 站受顶托越严重，顶托壅水高度越高。B 站、A 站峰现时间相差约7 d。

4 结语

通过以上分析找到准确的各关键临界值，就可以在减少B 水文站的流量测验次数情况下，满足水文测验规范要求的精度，有效控制B 水文站水位～流量过程，减轻该站水文测验工作压力，节约经济成本，更重要的是可以进行水文计算、提高洪水预报精度，为防汛调度、防洪决策提供准确的数据依据。

目前受实测水文数据资料年限和代表性、分析方法及洪水顶托现象本身的复杂性、不确定性的影响，所得结论难免存在一定的局限性和不确定性。要想验证以上分析方向正确，并找到准确的各关键顶托临界值，还需要积累两江更多年份洪水资料，从中选取代表性数据，有针对性地进行分析、总结、验证。有条件的情况下，引入两江汇合口处水位、流量数据资料，进行综合分析，更有利于提高此项探索工作的效率，提高结论的精度。