河道水位流量预报方法研究

梁成民

摘要： 本文结合河道水位水波的运动波近似值，建立了河道水位流量和水位预报方法。为河道的规划设计和防洪调度提供了决策依据。

关键词： 河道水位流量预报方法变特征河长琼斯公式

当河道面临洪水时，在预报中最为重要的水文要素便是水位和流量的预报。许多国家在现在河道的水位流量预报中都采用的是马斯京根流量演算法，但是这种方法包括它的一些改进方法都不能对水位进行最准确和有效的预报。一些传统的预算方法是通过研究洪水的传播问题来推断河道下游的流量和水位，一旦出现了两江交汇的情况，这种算法就变得很复杂。要想预报准确有效的水位流量，就必须首先通过洪水来进行计算，再根据客观的数据来推算出河道水位和流量的变化规律，进而对河道断面处的流量和水位的不同的变化过程进行预报。

一、河道水位流量关系

水位流量关系河渠中某断面的流量与其水位之间的对应状态。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（如水面寬、断面面积、水力比降、糙率等）决定的。水位流量关系有稳定的，也有不稳定的。流量测验技术比较复杂、耗资比较昂贵，难以连续进行，而连续地观读水位则容易办到，因此通常将连续的水位资料，通过水位流量关系推算、转换为连续的流量资料，供水文计算或水文预报分析使用；有时也因某种需要，由流量通过水位流量关系反推水位，如河道防汛水位，闸坝电站下游水位等。所以，水位流量关系具有重要的实用意义。

1.稳定的水位流量关系。在较长时期内，某断面的实测流量与相应水位的点据呈密集带状分布，可用一条单一曲线来表示。这就是稳定的水位流量关系。水位流量关系维持稳定，必须具备下列条件之一：

（一）断面面积、水力比降和糙率等水力因素在同一水位时，维持不变。

（二）在同一水位时，上述各因素虽有变动，但其变动对水位流量关系的影响可以互相补偿。在这种条件下，同一个水位，就只有一个相应的流量，水位流量关系就成为单一的曲线。水文测站断面总是尽可能选择在那些具备基本稳定条件的地方，必要时，用人工铺设固定河床或在断面下游附近建造拦河低堰等方法来创造这种稳定条件。应用稳定的水位流量关系对于编制逐日平均流量、洪水水文要素摘录表和因工程设计或防汛需要推求各种水位或流量都十分方便。

2.不稳定的水位流量关系。因受一种或几种因素的影响，实测流量与相应水位的点据不能呈密集带状分布，难以用一条单一曲线表示，同一水位（或流量）具有多个流量（或水位）与之对应，这就是不稳定的水位流量关系。引起这种水位流量关系变动的因素有：

（一）河床冲淤，使同水位的断面面积发生变化，影响流量，多沙河流冲淤严重，这种变化尤为剧烈；

（二）洪水涨落，涨水与落水阶段，河道水面比降不同，流速不同导致同水位下流量不同，涨落急剧的河流，这种变化比较明显；

（三）变动回水，在河流的中下游，河渠水位受支流汇合、闸门启闭、湖水顶托等影响，使水面比降发生变化，引起水位流量关系的不稳定；

（四）结冰、水生植物等也能导致断面面积和糙率等一些水力因素的变化而影响水位流量关系。

3.水位流量关系曲线的延长。如果因条件限制，不能测得最高、最低水位的相应流量，在无实测流量的水位幅度内，要对水位流量关系曲线作高低水的延长。对于高水，往往可以根据实测的、调查的、推估的比降和断面等资料用水力学公式推算洪峰流量，用相应水位点作为控制，进行延长。对于低水，往往可以找出断流水位，以该水位与纵坐标的交点作为控制，进行延长。曲线延长是否恰当，会直接影响最大最小流量洪枯水期径流量等的正确确定，而这些重要数据有时关系到工程设计项目的规模和尺寸，因此在延长时，特别是在外延幅度较大时，必须十分慎重。

二、河道水位流量测验的经典技术理论

众所周知，河流断面上的各个水质点的流速是不相同的，具体的流速分布情况被水利专家们称为流速场。河道流量测验的经典技术也被称为流速-面积法，就是测验出各个水质点的流速分布情况，进而将流速等直线图绘制出来，然后通过计算两相邻等速线的均值乘以它们之间所夹的面积，并进行累加，从而得到具体的河道流量。例如，一个地区如果海拔高度在2000米左右，该地区上有平原、盆地、高山、峡谷等地形，那么我们在进行该地区的河道流量测验时就要充分考虑到地形因素，从而使得测验出来的数据真实可靠，一般都是通过河流的等高线来进行测验，即首先测验出相同等高线之间的面积，然后沿着高程的增高而进行累加，进而除以整个地区的河流面积就可以得到准确的河道流量。其用数学公式表达的话就是Q=V·A，即流量等于断面平均流速乘以过水面积。当然，在实际的河道流量测验中往往会受到很多因素的影响，对一个地区进行全面的测验是不现实的，因此在实际工作中，测验技术人员往往是在断面的同一起点距上沿着水深垂直方向测验n个点的流速，然后算出平均值，这就是在河道流量测验的经典技术理论基础上延伸出来的垂线平均流速测验法，这种测验技术不仅克服了经典技术理论过于理想化的缺点，更是有效地把一条垂线上本不相等的各个水质点流速变成了一条等速垂线，如此河道流量的测验效率就得到很大的提高。但是，无论是多么先进的测验仪器，其测验出来的河道流量都只是“真值”或者说是相对真值，而不是完全精确的河道流量，其中是存在一定的误差的。

三、河流水位预报的新方法

1.水位与流量关系单值化拟合

在分析河道每日的水位、流量等资料时，可以知道水位流量的拟合关系式。

2.不同的流量及预报时间流量变化的确定

通过之前水位和流量的关系式，可以计算出第二天的日均流量，并能计算出两日均流量的差值与比值。通过点绘法，就可以得出日均流量与比值之间的关系，以及其关系点的平均线、上包线和下包线。

3.流量的变化引起水位变化的计算

通过利用上包线、平均线和下包线，就可以粗略的估算出第二天河道的流量，进而计算出由于流量的变化而引起水位变化的数值。

4.通过上下站的水位关系来确定下站的可能水位

因为第二天水位可能会发生变化，因此使用点绘法来监测水位之间关系的方法，来确定水位由于流量的变化而引起变化的水位值，从而可以得到三个第二天可能出现的水位值。

5.预报水位计算

通过这三个可能的水位可以计算出三个可能的流量，从而可以计算得出第二天的三个预报水位。

6.第二天实际水位和流量的输入

在第二天实际观察测量水位和流量之后，就可以提供第三天水位预报的可能值。预报计算即通过重复以上的六个步骤。但是在实际预报中，只需要按照第二至第六步的步骤来进行计算即可。因为第一步可以通过已经有的数据进行拟合就能得到，就能得到预测水位。同时，如果不进行第六步的计算，直接用第二日的平均预测水位来预报第三日的水位，那么误差就会相对较大。

四、结束语

本文介绍了新的水位预报方法，依据当天流量、水位可预报本站第二天水位，误差基本小于1.0m。如按一般水位流量预报计算，复杂的江湖关系给计算带来极大的困难，需要引入更多的水流条件和河道形态数据，它为河道规划提供了设计依据，也为河道的防洪减灾工作提供了决策依据，具有较强的实用性。

参考文献

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