张兆强，熊 辉

（德州市水文中心,山东 德州 253033）

0 引言

流量是体现流域水资源量利用程度的基本水文要素之一,也是进行流域洪水预报的基础性因子,所预报的水位通常根据水位流量关系进行反向推求。当前,山东德州H水文站主要采用仪器施测点建立绳套水位流量关系曲线或应用固定水平式ADCP进行水位流量关系实时在线监测,但是在具体应用中,其实时在线测流成果存在较大误差,流量值也经常发生突变。而采用仪器施测点所构建的绳套水位流量关系曲线因同水位对应多个流量值而极易造成应用误差,还无法进行实时修正与换线,所产生的流量误差较大。为此,本文以山东德州H水文站2015 年、2016年和2018年20 m以上高水走航式ADCP施测流量成果为基础数据,按照水位进行分级,并以德州H水文站现时水位,该水文站与其辅助水文站水位落差及该站前2 h水位涨落率均值等为参数进行了该水文站水位流量关系的构建,以便根据实时水位监测信息获取流量成果。

1 水文站概况

山东卫运河全长2041 km,河道坡降均值为0.56%,流域面积331520 km2,该流域最大的H水文站是卫运河流域重要的控制站,其自1973年建站以来几经迁移,在此后运行的过程中,洪峰流量在500 m3/s以上的年份很少,大多数年份断面均处于小流量情况,该测站属于所在流域防汛专用站。该水文站水文监测项目主要包括水位、流量、降水、蒸发、含沙量、水文、水质等。当前该站主要采用水平固定式ADCP及走航式ADCP测验设施,主要通过浮子式水位计进行水位监测,实时在线测流成果普遍存在较大的不确定性及严重的瞬时突变。根据对该水文站2019年2月~3月水位流量过程的分析可以看出,洪水涨落对其水位流量关系影响较大,流量增减过程十分显著；涨水时水位流量关系点子偏右,而落水时水位流量关系点子偏左,峰谷水位流量关系点子居中,按照时间次序将各点子连接后发现,其主要表现为以峰谷为轴线的逆时针绳套曲线：单峰为单套,叠加峰为复式套［1］。以该水文站上游相距7.4 km的K水位监测站为本文分析的辅助参证站。

2 水文站流量测验成果分析

2.1 样本资料

选择德州H水文站2015年、2016年和2018 年20 m以上高水走航式ADCP施测流量成果,共包括225 份流量施测成果样本。依据样本资料构建包括该水文站水位、水位差、水位涨落率等参数在内的水位~流量关系曲线,具体如下：

式中：Z t为德州H水文站现时水位,m；ΔZ为德州H水文站与其辅助水文站水位落差,m；ΔZ涨为德州H水文站前2 h水位涨落率均值,%。

2.2 水位级差分析

根据德州H水文站大断面示意图（图1）中存在的起点距突变点,将水位级划分为以下几个阶段：Z≤6.0 m,6.0 m＜Z≤7.5.0 m,7.5 m＜Z≤9.5 m,9.5 m＜Z≤11.5 m,11.5 m＜Z≤14.0 m,14.0 m＜Z≤16.0 m,Z＞16.0 m。

图1 德州H水文站大断面示意图

3 水位~流量关系构建

3.1 样本归类

根据所进行的水位级划分情况,可以将225 份流量施测成果样本进行所属水位级的归类,其中Z≤6.0 m段包括25组样本数据,6.0 m＜Z≤7.5.0 m段包括21组样本数据,7.5 m＜Z≤9.5 m段包括50 组样本数据,9.5 m＜Z≤11.5 m组包括58份样本数据,11.5 m＜Z≤14.0 m组包括27份样本数据,14.0 m＜Z≤16.0 m组包括20份样本数据,Z＞16.0m段包括24 组样本数据。为保证所构建的水位流量关系的代表性,各级样本数据均应在20 组及以上,并采用Excel表格LINEST函数［2］进行各级样本数据分析。LINEST函数主要应用最小二乘法进行相关数据线性拟合,同时对线性方程式及所涉及参数系数进行描述,以得出各组样本数据的水位~流量回归方程。结果如下：

针对以上所构建的不同水位级水位流量关系式,通过对225份实侧流量样本数据的验算发现,水位流量关系式所测算的流量与实测流量相比,两者误差不超出5%的样本有198组,占比为88%；误差在5%~7%之间的样本有17组,占比为7.56%；其余组误差均在7%以上,占比为4.44%。不存在系统误差,并满足适线检验要求,表明本文所构建的德州H水文站水位~流量关系曲线精度较好。

3.2 水位~流量关系的校验

2018年山东德州H水文站取得走航式ADCP测流数据95份,为方便进行水位~流量关系的校验,先将测流数据按照实际水位由低向高排序,并结合本文所提出的水位等级划分公式进行流量计算,计算结果具体见表1。

表1 2018年山东德州H水文站测流数据校验

将表中计算流量成果校验值和实测值进行比较可以得出,两者误差不超出5%的样本有72组,占比75.79%；误差在5%~7%之间的样本共有14组,占比14.74%；剩余样本误差在7%以上,占比9.47%；最大点误差9.94%,且无系统误差,满足适线检验相关要求,表明本文所构建的德州H水文站水位~流量关系切实可行。

3.3 实时流量推算

进行2020年7月1日0时~7月31日23时德州H水文站如何应用本文所提出的方法进行实时流量推算过程的分析：先计算德州H水文站和辅助水文站水位的落差,再计算德州H水文站水位涨落率,因水位涨落率属于敏感性较强的参数,且通常通过浮子水位计进行采集,所获取的水位数据可能因波浪等原因而出现伪涨落率情况,为消除波浪等因素对水位监测结果的不利影响,应计算前2 h的涨落率均值,再根据相应等级水位~流量关系公式进行流量推求。为消除锯齿态［3］因素,保证水位~流量关系线平顺圆滑,还应在不同水位级公式转换处采用两公式取值的均值。2020年7月1日0时~7月31日23时德州H水文站实时流量推算结果见图2。

图2 德州H水文站原报汛流量和实时流量推算结果

从所构建水位~流量关系应用于流量成果推算的实践来看,推算结果比原报汛流量值更接近实测值,说明所构建的水位~流量关系曲线精度较高,也说明直接根据监测水位,通过水文学分析方法进行水位在线推流及实时报汛的做法切实可行,并能为仪器测流结果提供补充。应用本文所提出的水位~流量关系曲线时仅需进行一些选择性校测,并略微修正参数系数,便能减少仪器测流次数,并能有效进行间测。

4 结论

综上所述,常规的水位~流量关系曲线的构建通常基于仪器施测散点,这种做法很难保证水位流量关系实时在线,通过结点进行流量推算报汛的做法受到结点信息无法及时更换的影响较大。流量实时在线报送也主要以固定式水平ADCP测流成果为主,在诸多因素的影响下,效果也并不理想。本文所提出的通过水位分级法并主要选取实测水位、上下游水文站同水位落差、水位涨落率等参数进行水文站水位流量关系的构建方式在应用上还不够成熟,但是从本文所进行的德州H水文站2018年实测对比及2020年7月1日0时~7月31日23时的推流校验过程及结果来看,应用效果较好。本文所提出的水文站水位~流量关系曲线的构建方法对于上下游水位监测质量较高,且中间无跌水、无急流,观测水文站和辅助水文站距离较近的测站较为适用。