宜昌水文站不同流量整编方法对比分析

2020-06-19

水利水电快报 2020年6期

（长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘查局，湖北宜昌 443000）

1 测站概况

宜昌水文站（以下简称“宜昌站”）位于长江中游干流上段，是长江三峡水利枢纽（宜昌断面上游44 km））和葛洲坝水利枢纽（宜昌断面上游6 km）的出库站，控制流域面积1 005 501 km2，约占长江流域集水面积的55.8%。测验河段基本顺直，断面较为稳定，近年来因上游来沙减少导致河段河床下切现象逐渐趋于平衡。长期以来，宜昌站为长江河道演变观测、中下游防洪抗旱、葛洲坝及三峡水利枢纽工程建设及运行提供了大量珍贵翔实的第一手水文资料。

宜昌站总体受长河槽控制，水位流量关系影响因素较多，主要受洪水涨落、断面冲淤、葛洲坝水利枢纽调度、下游清江洪水顶托等因素影响，中高水水位流量关系呈逆时针绳套曲线，低水一般为单一线。近年来，随着三峡-葛洲坝联合调度趋于常态，宜昌站水位流量关系临时曲线增多。宜昌站所在测验河段见图1。

2 目前的整编方法及存在的问题

图1 宜昌站所在测验河段示意

多年来，宜昌站一直按连时序法进行流量资料整编。2009年在开展测次精简以后，实测流量年测次仍达80次之多，耗费了大量人力物力，测次优化效果不明显，同时因三峡-葛洲坝联合调度带来的影响对水位流量关系定线的难度增大。

主要难点包括：①涨落速度比较快，常出现连续十几个小时上涨或者变幅3～4 m，难以掌握测次时机，有效流量测次仍无法满足定线要求。②葛洲坝电站日调节非常频繁且周期性强（周期约24 h）。通过实测资料显示，宜昌站每日约06：00～18：00涨水，18：00～次日06：00退水，这也导致近几年宜昌站实测流量主要分布在涨水面，产生汛期宜昌站与清江高坝洲站水量之和大于枝城站水量的不合理现象，且该现象还逐渐向非汛期拓展。

为摸清宜昌站水流特性新变化，2017年8月28日06：00～18：00宜昌站开展了断波流量试验[1]。葛洲坝电站连续加大下泄流量的同时，在宜昌站断面采用走航式ADCP进行连续流量测验，12 h内施测流量81次，试验期间水位从44.12 m涨至46.96 m，宜昌站按照常规测验也布置了4个流量测次。试验结束后，对两种测验方法形成的流量过程进行水量计算，连时序法时段径流量为10.56亿m3，连续测流法时段径流量为10.12亿m3，12 h两者相差0.44亿m3，水量相差较大，说明连时序法布点和整编对实际流量过程控制并不完全精确，同时也了解到水工程调度对该断面流量过程的影响非常明显（见图2）。

图2 断波流量试验与连时序法定线水位流量关系

综上所述，在现有整编方法下，通过增加外业测验测次并不能有效解决水位流量关系精度和上下游水量不合理的问题。因此，开展不同流量整编方法分析，提高宜昌站推流精度，减轻测验工作强度很有必要。

3 不同流量整编方法应用

落差指数法定线推流适用于受变动回水影响、测验河段宜顺直、河槽基本稳定、落差具有代表性的测站；连时序法定线推流适用于受一种或多种因素影响的测站，应具有较多的流量测次且能控制水位流量关系变化的转折点；连实测流量过程线法适用于受多种因素影响流量、测点密集能满足推算逐日流量和各项平均值的要求的测站。本文连实测流量过程线法采用两种实测流量比较，即H-ADCP实时监测数据（数据间隔为1 min）和葛洲坝出库流量数据（数据间隔为2 h）。

多年来，宜昌站一直按照连时序法定线要求布置外业测次并整编，单一线与绳套结合，部分时间段在单一线上推流，其他时间段按照绳套曲线推流。近年来，宜昌站分别开展了落差指数法、连实测流量过程线法（H-ADCP流量）、连实测流量过程线法（葛洲坝出库流量）等整编方法，试图通过不同测验方式和整编方法来分析研究宜昌站流量变化情况，为下一步改进测验方式，提高流量整编精度奠定基础。本文用其他3种方法与连时序法整编成果对照分析，以寻求更优的宜昌站流量整编方案。

3.1 落差指数法

2012年，宜昌站就采用综合落差指数法开展水位流量关系单值化研究，2016年又在原有分析基础上进行了下游辅助站的调整。在目前的单值化方案中，上游辅助站为葛洲坝8号水位站，下游辅助站考虑了清江入汇，选择清江入汇长江处上游3 km的杨家咀站水位与枝城站水位组合建立下游综合辅助站[2]。

具体方案如下：

式中，Z3为宜昌下辅站水位，m；Z2为枝城站水位，m；Z4为杨家咀站水位，m；R1、R2为综合落差系数，分别取0.854、0.146；q为校正流量，m3/s；Qm为实测流量，m3/s；Z0为宜昌水文站水位，m；Z1为葛洲坝8号站水位，m。

根据上述方案，建立2010～2018年水位-校正流量关系线，各年关系检验均合格，满足相关的水文整编规范要求；能通过符号检验、适线检验和偏离数值检验，系统误差≤±2%，随机不确定度≤±10%。

采用该单值化方案，对2010～2018年资料进行整编，并与连时序法建立的水位流量关系分别推流，年特征值统计见表1。

从表1可以看出，年径流量相对误差较小，符合SL 247-2012《水文资料整编规范》中“不同方法计算年径流量相对误差不超过±3%”要求[3]，方案适应性较好。在断面较为稳定的情况下，宜昌站采用水位流量单值化方案进行流量整编和报汛是可行的，可节省大量人力物力；也可作为一种分析方法来校测现有流量测验结果，解决流量测验中的问题，分析水流特性变化，保证流量测验与整编的精度。

3.2 连实测流量过程线法（H-ADCP流量）

H-ADCP在线流量监测主要是通过收集数据，选取合适的单元层组合流速作为指标流速，与常规测流得到的实测断面平均流速建立相关关系。在关系稳定、精度较高情况下，以指标流速推求断面平均流速，再用断面平均流速与断面面积求得断面流量，将断面流量采用连实测流量过程线法进行整编[4]。

表1 落差指数法与连时序法年特征值误差统计

考虑到近年来宜昌断面较为稳定，2016年宜昌站在断面右岸安装了一台H-ADCP，经过调试，2017年开始比测，到2018年底共收集了2017年3～10月、2018年3～7月共13个月有效数据。

从2017～2018年H-ADCP采集的数据中提取指标流速与同时段常规测验实测断面平均流速建立线性关系（见表2），两条线相关性均较好，系统误差小于±2%，满足规范要求。但由于存在个别测点相对误差较大，随机不确定度大于10%，超出规范要求。用线性关系公式计算流量过程线，采用连实测流量过程线法进行资料整编，得到的流量成果与连时序法整编流量成果比较（见表3）。由表3可知，2017～2018年H-ADCP月径流量误差均在±4%以内，多月平均径流量误差为-1.6%。

表2 2017～2018年指标流速与断面流速定线参数

3.3 连实测流量过程线法（葛洲坝出库流量）

采用葛洲坝出库流量作为实测流量进行计算。葛洲坝出库流量是根据葛洲坝水利枢纽运行调度情况，查算相应的枢纽设计泄流曲线资料，按时段计算葛洲坝总的出、入库流量，时段间隔一般为2 h，即计算12次/d葛洲坝出、入库流量。将葛洲坝出库流量采用连实测流量过程线法进行整编。

根据长江水利委员会水文局2016～2017年开展的葛洲坝泄流曲线现场率定试验结果[1]，泄流曲线流量与宜昌站实测流量相对误差在-5.8%～8.6%之间，平均相对误差2.2%（查算泄流曲线偏大），关系线系统误差为2.0%，随机不确定度为7.3%，满足相关规定的精度要求。

表3 2017～2018月径流量误差统计

分析2016年连时序法和水工建筑法计算的葛洲坝出库流量过程线（见图3），可知两者流量过程非常吻合，能较好地反映流量各场次洪水涨落变化。当葛洲坝出库流量约小于16 000 m3/s时，宜昌站流量略大于葛洲坝出库流量，反之则偏小。

选取2010～2018年葛洲坝出库流量进行整编，并与连时序法整编数据进行比较，年平均径流量相对误差为-3.5%～-0.6%，略大于整编规范不超过3%的要求，最大流量相对误差为-1.3%～4.5%，最小流量相对误差为-10.7%～-3.2%，见表4。

将2010～2018年的连时序法计算的洪水摘录表中的流量与葛洲坝出库流量（采用直线内插与连时序法时间同步）建立线性关系（见表5）。近9 a的线性关系相关性均在0.98以上，系统误差、标准差满足一类精度站水力因素法相关要求，定线三项误差检验（适线检验、符号检验、偏离数值检验）均通过。综合线见图4。

表4 葛洲坝出库流量与连时序法年特征值误差统计

图3 2016年宜昌站连时序法流量与葛洲坝出库流量过程线比较

表5 2010～2018年葛洲坝出库流量与连时序法流量定线公式参数

4 洪水过程分析

图4 2010～2018年葛洲坝出库流量与连时序法流量综合关系线

为验证落差指数法、H-ADCP流量过程线法、葛洲坝出库流量3种方案推求洪水过程的可靠性。选择2018年一场完整的洪水涨落过程04月24日00：00～06月12日00：00，水位变幅范围为41.00～46.60 m。采用2018年连时序法洪水要素摘录表中时段推流。其中，落差指数法、H-ADCP流量过程线法与连时序法同步，葛洲坝出库流量原数据为固定间隔2 h流量数据，采用直线插补后时间与其他3种同步。洪水过程见图5，计算的洪水摘录流量与日平均流量误差见表6。从图5可以看出，4种方法推流变化过程较为吻合，最大流量均出现在5月25日，变化趋势基本一致，无论是涨水面、落水面还是水位平稳期，各变化特征基本能反映同场次洪水的特性。

表6中系统误差统计结果显示，落差指数法最小，H-ADCP流量过程线法次之，葛洲坝出库流量最大。其中，落差指数法统计的系统误差和随机不确定度均满足规范要求；H-ADCP流量过程线法系统误差满足要求，但随机不确定度超限；葛洲坝出库流量系统误差与随机不确定度均超出规范要求。

葛洲坝出库流量与宜昌站流量测验断面距离6 km，传播时间较短，断波短距离影响不一致，使得洪水摘录流量、日平均流量相对误差较大，但年径流量误差较小，且流量过程比较相应。

表6 3种整编方法与连时序法洪水过程误差统计

H-ADCP在实时监测过程中，存在个别测点相对误差较大。从表6可以看出，H-ADCP实测流量过程线误差最大。同时，H-ADCP收集的流量数据略低于其他方法，这种实际情况正好可以弥补宜昌站实测点主要集中在涨水面，18：00到次日06：00退水面实测流量测次不足，导致定线推流偏大的缺陷。

图5 2018年04月24日～06月12日4种整编方法洪水过程对照

图6 2018年年最大洪峰4种整编方法洪水过程线

5 与下游水量比较

将2014～2017年实测资料，用落差指数法、连实测流量过程线法（葛洲坝出库流量）、连时序法整编计算的年径流量，加上清江入汇的高坝洲站年径流量与枝城水文站年径流量进行相对误差计算（见图7）。高坝洲站采用连实测流量过程线法（H-ADCP）整编推流，2014年前高坝洲站未采用H-ADCP实测数据整编，未采用2014年前资料。枝城站采用连时序法定线推流。

由图7可看出，这4 a中，采用连时序法计算流量最大，其次是落差指数法、连实测流量过程线法（葛洲坝出库流量），采用葛洲坝出库流量推流基本能达到水量平衡。从表1、表4流量特征值统计中也可看出，近9 a来，落差指数法、葛洲坝出库流量法计算年径流量几乎全部小于连时序法计算结果，具体原因还需结合工程调度引起的断波流量在近坝段影响开展深入分析。