基于葛洲坝出库流量的宜昌站流量整编方法

胡焰鹏 胡名汇 樊云

摘要：因受水利工程影响，工程附近上下游的水文站水位-流量关系散乱，导致流量整编较为困难，且实际中对大型水利工程多样泄流建筑物逐一进行流量系数率定的可能性低。通过综合评估葛洲坝出库流量精度，建立葛洲坝出库流量与其下游6 km宜昌水文站实测流量间的流量系数相关关系，从而推算宜昌水文站流量过程。分析其与宜昌水文站现有整编成果之间的误差，优选方案实现宜昌水文站流量整编，流量整编精度满足SL 247-2012《水文资料整编规范》要求。该方法对受水利工程影响下的水文站流量整编具有借鉴意义。

关键词：流量整编;流量系数;水利工程影响;宜昌水文站

宜昌水文站始建于1877年4月，为基本水文资料收集、长江中下游防汛抗旱、水资源管理和葛洲坝及三峡水利枢纽工程建设和运行服务，是控制长江中游干流基本水情的基本水文站。宜昌站测站控制总体属长河槽控制，水位流量关系主要以绳套线性和综合单一线性为主。河段上游相继建成了葛洲坝和三峡水利枢纽工程，受两个工程联合调度影响，上游泥沙补给大幅减少，近坝下游河段冲刷下切，水位-流量关系线线型基本不变，但同流量下中枯水位下降，枯水期呈综合单一线，丰水期呈现绳套状[1-2]。目前沿用连时序法、临时曲线法进行流量整编，多年整编的年径流量与上下游水文站比对存在差异，但精度基本满足SL 247-2012《水文资料整编规范》（以下简称《规范》）要求。

总体上，三峡水库调度呈现为年调度特征，葛洲坝水库调度呈典型日调节。有限的流量测次对有效控制葛洲坝水库日调节带来的每一水位-流量变化过程而言，难度太大，即流量观测时机把握不好[3]，可能影响年水位-流量关系线定线精度。宜昌水文站位于葛洲坝水利枢纽下游约6 km，河段基本顺直，其间没有支流入汇，也没有区间分流。理论上，宜昌水文站流量与葛洲坝出库流量应该一致或具有密切相关性，可确认葛洲坝出库流量精度，再利用其进行宜昌水文站流量整编。

1 相关关系推求

探讨受水工程影响水文站的流量整编方法，可通過建立水工程出库流量与水文站实测流量的相关系数来进行[4-5]。分析宜昌水文站2010～2018年实测流量与同期葛洲坝出库流量间相关关系的适应性与精度，以确定由葛洲坝出库流量推算宜昌水文站流量过程的相关系数，探讨基于葛洲坝出库流量过程推算宜昌水文站整编流量的方法与精度。

1.1 宜昌水文站实测流量

2010～2018年宜昌水文站共施测流量708次。各年流量施测次数，2015年最少（57次），2017年最多（98次）。其中，实测最大流量为46 800 m3/s（相应水位52.67 m），最小流量为5 310 m3/s（相应水位39.36 m）。

测验方法有ADCP走航式、流速仪11/22、流速仪10/20或流速仪24/120等。渡河方式为船测、吊船缆道。

1.2 葛洲坝出库流量

葛洲坝水利枢纽主要泄流设施由发电机组、二江泄水闸、大江泄洪冲沙闸和三江冲沙闸组成。大江电站装机14台，二江电站装机8台（含0号机组），电站装机容量为2 735 MW。自2005年起，葛洲坝电站单机额定容量125 MW的机组（19台）逐步实施更新改造增容至单机额定容量150 MW，改造全部完成后，电站总装机容量为3 210 MW。

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，即每天计算12次葛洲坝出、入库流量。

出库流量=全厂发电流量+机组空转过流量+大江冲沙闸泄流量+三江冲沙闸泄流量+二江泄水闸泄流量+大江排沙底孔泄流量 +大江排沙洞泄流量+大江排漂孔泄流量+二江排沙底孔泄流量 +小机组发电流量。

受主客观条件限制，按SL 537-2011《水工建筑物与堰槽测流规范》要求，难以全面实现对葛洲坝组成部分逐个率定流量系数，流量系数只能针对葛洲坝总出库流量综合率定。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[6]，其相对误差在-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%，满足相关规范规定的精度要求。

1.3 流量系数相关关系

根据水量平衡原理：

根据宜昌水文站每次流量测验的平均时间，分别采用了直线内插法、一元三点插值法、样条插值法。从葛洲坝出库流量过程（每天12次）插补出对应时间的出库流量数据，与宜昌水文站实测流量建立相关关系，包括综合相关线、当年测点相关线。再优选定线参数，使其满足《规范》规定的定线3种检验指标。

（1）多年综合关系线。采用直线内插法、一元三点插值法、样条插值法率定，适线检验、符号检验和偏离数值检验3种方式的定线检验及误差统计结果均满足要求。直线内插法率定关系见图1。

（2）当年测点相关线。分别采用直线内插法、一元三点插值法推求各年的率定关系，并进行误差统计，采用直线内插法的统计结果见表1。

（3）定线结果。在以上计算结果中，不论是多年综合线，还是当年测点定线，适线检验、符号检验和偏离数值检验3种方式的定线检验结果均合格，满足规范要求[7]。

从数据分析可知：各种定线的系统误差都满足±2%范围要求[7-8];除2017年当年线（一元三点插值法）的标准差大于5%外，其他各种方法均满足随机不确定度小于10%（标准差小于5%）的要求。

2 流量整编

流量整编计算采用水文资料整编系统SHDP（2.0版）。根据已建立的流量系数相关关系，由葛洲坝出库流量过程推算出宜昌水文站流量过程，采用连实测流量过程线法，整编宜昌水文站流量，推求宜昌水文站逐日流量、各种径流特征值等成果，与宜昌水文站原有流量整编方法推算的成果进行比较，统计、分析误差等。

水流沙原始数据文件借用宜昌水文站各年的原有数据，只是将数据文件中各年的流量整编方法、推流节点，由原有的一元三点插值法、水位流量节点数据，分别替换为对应的连实测流量过程线法、时间流量节点数据，再分别进行水流沙整编计算，生成不同整编方法的流量整编成果，最后统计误差情况。

在分析中采用了6种流量过程推算方法进行试整编，详见表2。

（1）年径流量。分别采用不同流量整编方法推算各年的年径流量，与宜昌水文站原有流量整编数据的相对误差比较情况见图2。

图2表明，只有直接采用葛洲坝出库流量方法的推算结果存在年径流量误差超过±3%的情况，其他方法都满足误差在±3%范围的要求[7]，可作为流量整编方法使用。

（2）部分年特征值。在各年数据中，选年径流量较小、居中、较大的2011年、2015年、2018年数据推算年最大流量、时段洪量，其与宜昌水文站原有流量整编数据的比较情况见表3。部分年份直接采用葛洲坝出库流量整编成果的特征值与宜昌站连时序流量整编的特征值超限。

综合上述分析，与宜昌站连时序流量整编成果比对，除部分年份直接采用葛洲坝出库流量的整编成果不满足流量规范要求外，其余整编成果均满足相关规范要求。其中，利用当年-直线相关数量系数法整编的流量最佳。

3 結 论

（1）建立葛洲坝出库流量与宜昌水文站实测流量的各种组合流量系数相关关系，均满足《规范》[7]规定的适线检验、符号检验和偏离数值检验3种定线检验指标;各种组合的定线系统误差、随机不确定度基本都满足《规范》[7]《水工建筑物与堰槽测流规范》[8]规定的一类精度水文站定线精度要求。

（2）由葛洲坝出库流量过程推算宜昌水文站流量过程，分别采用连实测流量过程线法定线推流，推算的年径流量与宜昌水文站原流量整编方案的相对误差在±3%范围内，满足《规范》[7]要求，可作为流量整编方法使用。采用当年线-直线内插法的方法作为宜昌水文站流量整编方案更优。考虑以最少的测验成本获得满足规范要求的整编成果，优先采用综合线、直线内插法流量系数方案，每年只需校测部分测次，进行学生氏t检验，满足要求即可继续采用综合线进行流量整编。建立的葛洲坝出库流量与宜昌水文站实测流量的流量系数相关关系也可用作流量测验、流量报汛、流量过程分析合理性检查。

参考文献：

[1] 李帆，夏自强，王跃奎.  葛洲坝水利枢纽工程对宜昌河段水文水力特性的影响[J].  河海大学学报（自然科学版），2010，38（1）： 36-40.

[2] 伍勇，柳鑫，龙飞，等.  三峡工程蓄水后宜昌站水流特性变化及测验措施[J].  长江科学院院报，2017，34（5）： 22-26.

[3] 曾雅立，樊丽娜，王宝成，等.  三峡水库-葛洲坝水库调度影响下宜昌站流量测验时机分析研究[J].  水利水电快报，2019，40（2）：39-42.

[4] 高士欣，黄新平，刘丽莉.  基于水布垭水库运行资料的流量推求分析[J].  人民长江，2014，45（S2）：33-34.

[5] 田苏茂，刘天成，刘扬，等.  三峡水库下泄流量在庙河站流量资料整编中的应用研究[J].  水利水电快报，2019，40（2）：6-9.

[6] 闫金波，李秋平.  三峡、葛洲坝出库流量率定报告[R].  武汉：长江水利委员会水文局，2018.

[7] SL 247-2012 水文资料整编规范[S].

[8] SL 537-2011 水工建筑物与堰槽测流规范[S].

（编辑：唐湘茜）