金沙江鲁地拉水文站单值化探讨

李昌隆，勾晶晶

（长江水利委员会水文局长江上游水文水资源勘测局攀枝花分局,四川 攀枝花 617000）

1 金沙江鲁地拉水文站特性

金沙江鲁地拉水文站于2016 年05 月9 日开工,2017 年05 月30 日完工,2017 年06 月21 日通过完工验收并投入试运行。金沙江鲁地拉水文站距宾川县县城公路里程95 km,距大理市公路里程160 km,距昆明市公路里415 km。鲁地拉水文站位于鲁地拉电站下游约2 km 右岸,距离观音岩水电站约96 km。测验河段无串沟、回水、死水情况；两岸为护坡,河床为卵石夹沙组成,断面较稳定；两岸无滩地、无植被；基本水尺断面上游约2 km 有鲁地拉水电站,区间无支流汇入,水位经常受闸门启闭影响而产生突变。断面上游约240 m 左右有行车铁索桥一座,断面上游约200 m 处在低水时有分流情况,在断面上游约120 m 处汇合。鲁地拉水文站距长江河口3884 km,控制集水面积247346 km2。测站为流量测验精度三类水文站。

2 金沙江鲁地拉水文站水位流量关系简介

2.1 水位流量关系定义

河渠中某断面的流量与其水位之间的呈现何种关系。这项关系要根据当地的不同水流情况的多次实测流量和其 相应的水位来确定,通常用水工顶线、多年经验曲线、经验方程或表格等形式表达。它是由各种水力因素（如水面宽、断面面积、水力比降、糙率等）决定的[1]。

2.2 金沙江鲁地拉水文站测流方法

采用流速仪法测流,按照国家现行规范、规程及批复的测验方案开展测流工作。流速仪测流方法利用面积乘以平均流速法,即用各种测深方法测出若干部分面积,再用流速仪测出垂直于过水断面的平均流速,然后乘以部分过水面积,求得部分流量,再计算其总和得出断面流量。国内以机械型转子式流速仪为主,还有部分分旋桨式流速仪和旋杯式流速仪,它们采用不同安装方式,适用于不同流速环境,运行方式为水文缆道式。

2.3 研究金沙江鲁地拉水文站水位流量关系单值化的背景

金沙江鲁地拉水文站水位流量关系见图1。电站陆续建成发电。天然河道已经没有,测站在电站坝下和库尾。测站水位流量等关系全由电站控制。

图1 金沙江鲁地拉水文站水位流量要素

测站水位变化频繁,一天有1～2 个涨落过程,测站流量测次多,用连时序法定线困难。

2.4 鲁地拉水文站水位流量关系现状

2018 年～2020 年每年实测流量点子个数基本都在100 次以上,工作量巨大,长期耗费大量人力物力,水位流量关系不能够很好得到解决。连时序法测流定线对测点布控有着严格的要求,不然就会造成定线的任意性变大,所以我们就要深入研究探讨一种新的推流方式：定线方式落差指数法推流。而且其他相同影响的水文站都在用,如宜昌站[2],监理（二）站。

3 落差指数法介绍

3.1 落差指数法定义

落差指数法是以落差法为基础,通过优选落差指数β,并建立水位与流量同落差β次方之比的关系曲线来推求流量。根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[3]（以下简称《规范》）,6.4.12 规定,该法适用于断面基本稳定变化不大,落差具有代表性,受电站变动回水或受水电站变动回水及电站泄洪引起的洪水涨落综合影响的测站。近年来,鲁地拉水文站受上、下游水电站枢纽工程及洪水涨落等多种因素影响,水位流量关系紊乱,目前采用连时序法推流,需要较多流量测次,尤其是不能满足水文情报预报的及时性。为提高测报精度、解放生产力、提高工作效率、减少成本支出,本文选用近年来鲁地拉水文站具有代表性的水位流量资料,采用落差指数法 进行单值化分析,建立流量推求模型,实时、准确地推求金沙江鲁地拉水文站流量变化过程。

3.2 现行水文资料整编规范

一种方法是否满足要求,就要看其是否满足行业规范要求,根据《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[3],条款5.3.2中流速面积法水位流量关系定线及允许合并定线精度指标应符合下列要求：

采用单一曲线法或水力因素法定线时,流速仪法测流定线精度应符合表1 的规定。

表1 水位流量关系定线精度指标表

4 鲁地拉水文站落差指数法具体方法

1）通过水文缆道流速仪测流方式收集金沙江鲁地拉水文站水位流量测点。

2）通过南方资料整编软件收集金沙江鲁地拉水文站整编水位（z0g 文件）。

3）通过鲁地拉水电站水文预报集控中心收集下游落差站点观音岩水电站坝上水位。

4）根据金沙江鲁地拉水文实测站流量平均时间和z0g 文件的整编水位时间,把观音岩坝上水位（辅助站）通过函数查找方式一一插补出来。再根据两站水位落差确定需要在落差基础上加上一个定落差（每年根据水位情况具体定值）,确保全年两站水位计算落差不能为0。

5）金沙江鲁地拉水文站2021 年与2022 年两年落差指数法数据分析。

5 金沙江鲁地拉水文站2021 年、2022 年数据全面分析

通过大量的表格函数分析用试算法求得合适的指数和系数的取值范围。

假设相同水位不同落差的流量符合下列公式：

式中：Q1、Q2分别为相同水位不同落差的流量,ΔH1、ΔH2分别为与Q1、Q2相应的落差,m；β为落差指数；q 为流量与落差β次方之比（或称校正流量因数）。

优选落差指数β值：β值的可变化范围为0.2～0.8,在此区间内可采用大量试错法或优选法以定出的H～q 关系曲线,通过南方整编软件做出适线检验、符号检验、反曲检查且不确定度最小值的β为最优β值。

确定H～q 关系曲线：根据优选的β值所定的H～q 关系曲线,定线精度符合《水文资料整编规范》（SL/T 247-2020）[3]单一曲线的定线精度要求,即为推求流量采用的最佳曲线。

根据落差辅助站的水位过程计算的落差ΔH 和优选的β值,用鲁地拉水文站水位推得q 值,与相应的ΔHβ的乘积即为推求的流量Q推。

6 金沙江鲁地拉水文站2021 年、2022 年落差指数法检验

2021年通过长江水文局的南方资料整编软件检验见表2。

表2 金沙江鲁地拉站水位～校正因素关系曲线检验计算表

从表2 可知,系统误差0.2%＜2%,标准差6.1%＜12%。满足三类精度水文站水力因素法水位流量定线精度要求。推求本站整编流量：根据落辅助站的水位过程计算的落差ΔH 求得最佳β值及系数。用鲁地拉水文站水位在线上查得推得q值。q×ΔZβ×系数=推求的本站流量。2022 年通过长江水文局的南方资料整编软件检验见表3。

表3 金沙江鲁地拉站水位～校正因素关系曲线检验计算表

从表3 可知,系统误差-0.6%＜2%,标准差6.5%＜12%。满足三类精度水文站水力因素法水位流量定线精度要求。推求本站整编流量：根据落辅助站的水位过程计算的落差ΔH求得最佳β值及系数。用鲁地拉水文站水位在线上查得推得q 值。q×ΔZβ×系数=推求的本站流量。

7 结论

落差指数法适用于鲁地拉水文站用于推求水位流量关系,满足日平均流量的推算,可以节省大量的人力物力,有效地提高水文站工作效率,建议每年适时调整参数,及时对照上下游流量,与电站出库流量做对比分析。通过上文的分析可知,水位～流量关系非常复杂,会受到诸多因素的影响。结合实际水位和流量的资料,通过综合试错法确定落差指数关系开展水位～流量关系单值化分析,并最终确定了关系参数,分析结果能够满足相关规范要求,可为类似分析提供一定的借鉴。