水利水电工程建设对下游水文测验的影响

孙红美 孙振玉 孙凯

（泰安市水文中心，山东 泰安 271500）

在水文测验时，技术人员需要到现场采集不同类型的地质数据与水文信息，但数据的获取过程在水利建设工作的影响与干预下，会出现明显的偏差，测验工作的复杂性也出现明显提升趋势。通过水文测验，可以及时感知下游水文环境的变化，将获取的相关数据作为参照，可以有效避免由于水资源变化诱发的灾害现象，也可以提高水源的使用率[1]。但随着我国地方政府与相关部门对水利水电建设工程投入的增加，水文测验工作的难度也随之加大，甚至直接干预了下游相关工作的顺利开展。为降低影响，使水利水电工程成为优化国家经济建设的福利工程，建设单位提出了规范水文测验工作行为、制定专项测验方案等措施，但相关措施的实施，未能在实际工作中取得成果，甚至对水利水电工程项目的建设造成了干预[2]。为了彻底解决工程建设对水文测验的负面影响，在保证水利工程项目发挥最大运行效能的基础上，提升测绘数据的精确性与时效性，本文将设计一种工程建设对测验影响程度的分析方法，掌握工程建设在不同程度上对测验的干预，进一步实现对测验工作的优化。

1 水利水电工程建设对下游水文测验的影响分析方法

通过对下游河段进行水文测验可以提高地域水文质量，提升地域内水利水电工程建设效果，促使其发挥最大效能。同时，高质量的水利水电工程建设也可以反作用于水文测验中，利用终端计算机设备，将提取到的影响下游水文测验的参数指标进行划分，降低水文平衡性误差，以此构建工程建设与水文测验关系模型，提高地域水文分析能力。采用关联度计算下游测验站工作稳定性系数及建设频繁程度等数值，获取水文测验的不同影响程度，对工程建设与测验结果进行综合分析。通过掌握工程建设周期内下游水文的空间分布变化趋势，提升水质测绘的精确性，及时对问题水源进行检测和治理，促使我国水资源利用率提高。

1.1 下游水文测验影响因素提取

为进一步感知工程建设与测验结果数据的影响，需要在开展设计研究前，对下游水文测验工作影响因素进行提取。在此过程中应明确，对下游进行水文测验其本质是对下游水位监测、水体流量综合检验的过程，因此对其影响因素的提取便是对监测与综合检验过程深度分析的过程。

在进行下游水位监测时，技术人员需要先进行专项仪器设备的调试，获取不同时段下的水位，将获取或采集的数据导入终端计算机设备，对数据进行宏观调整与平滑处理[3]。通过此种方式，可以得到如图1 所示的水位监测结果曲线。

图1 下游水位监测结果曲线示意图

在测验过程中，水位监测值的精度、误差、时效等参数均可以作为描述监测结果质量性与可行性的指标。

采用多普勒超声波流量计，按照ADCP 测流方法对被测试的水域水流进行平均流速、水深和水温的测试。由于多普勒超声波流量计自身带有温度传感器，可以补偿水温对声速的影响，使测试结果更加精确。同时，无机械转子结构的特点会减小对水域内水流的影响程度，提高测量精度，降低起始速度，便于获取水域实际水质数值。结合速度面积法，测量水域内的水流瞬时流量和累积流量，有效提高下游水文测验影响因素数据的提取效果，实时性较强。但是，在水利水电工程建设综合调度过程中，由下游流下的水体不论在流量或是在流速方面，都会受到影响。尽管技术人员可以通过对水位流量的ADCP 在线监测，精准地掌握水位与流量信息，但测验工作中的平衡性误差仍不可避免[4]。按照上述方式，在水文测验工作中，将描述测验结果的多个参数指标作为影响因素，将参数指标表示为P，则测验影响因素可以表示为{P1,P2,P3,…,Pn}，按照此种方式，完成对下游水文测验影响因素的提取，其中n 代表影响因素的数量。

1.2 构建工程建设与水文测验关系模型

全面、可靠的水文地质资料是保证水文测验结果准确性的依据，为掌握上游水利工程建设实施对下游水文测验工作的影响，本章提出构建两者关系模型的方式，发挥工程建设对测验的负面干预。

在开展此项工作时，可以通过结合水文流量组合法与连时序法的方式，构造下游水文分布空间结构。水文流量组合法是将被测水域内的上游河段与下游河段变化趋势进行组合的一种方式，可以提高测验过程中的精准度。这是由于水利水电工程建设对上游河段的影响程度较小，不会因为外界的客观环境因素和工程建设的内在影响造成上游河段水位和流量变化。因此，可以在上游区域内选取某一时段的水位与流量变化情况，将其绘制成水文变化趋势图，结合折线趋势分析下游水域的变化程度。水文流量连时序法是通过计算的方式获取一定时期范围内的被测水域H-ADCP 数据，根据具体下游河段的流速、水深和水温结果进行图表绘制。水文流量图表以时间变化趋势和流量走势作为绘制条件，绘制出在特定时期范围下，下游河段水势情况，以此分析水利水电工程建设对下游水文的影响。将水文空间分布的变化趋势作为关系，按照水文流量组合法与连时序法的方式构建工程建设与水文测验关系模型。模型构建的主要参照依据，例如，调度数据库历史数据，明确下游水文变化周期（周期可以为一个月，也可以为一个季度），记录水文工程在建设周期内下游周围水系的变化。引进数据挖掘技术，识别并判断水系变化在此过程中是否存在可循规律，根据规律绘制水系流量图示[5]。同时，明确测验中的上游水位变化受到水利水电工程建设的影响程度较小，水位监测结果数据与水体流量数据的相关性更强。因此，在构建关系模型时，截取上游水位中某一段高水位流量信息，将其绘制成“时序- 上游水位流量”示意图，将绘制的图示与周期时间段内“时序- 下游水位流量”示意图进行匹配，根据匹配结果，得到一个可以描述工程建设与水文测验关系的结构模型。模型表达式如下计算公式所示。

公式（1）中：Qm表示为工程建设与水文测验关系模型表达式；K 表示为点面系数；m 表示为两者图示匹配程度；θ 表示为下游水位峰值；S 表示为统计流量；F 表示为测验周期。将已知参数代入上述计算公式，完成对关系模型的构建，初步掌握在工程建设周期内下游水文的空间分布变化趋势。

1.3 基于关联度计算的影响程度综合分析

完成对影响因素的提取与上述相关设计研究后，引进关联度计算公式，通过对不同影响因素与水文测验结果可靠性指标的关联度比对，掌握工程建设与测验结果的影响。关联度计算可以通过研究被测水域上游河段和下游河段的平均流速、水深和水温等数据，研究水利水电工程建设与下游水文的关联性大小，从而反映各影响因素对目标值的重要程度，具有一定的客观性。其中，水利水电工程建设对下游水文测验影响程度的关联度计算公式如下。

公式（2）中：ΔZm表示为工程建设与测验结果的影响关联度；η 表示为下游测验站工作稳定性系数；i 表示为上游水利水电工程建设频繁程度；V 表示为水文体积系数。将相关数值代入计算公式（2），得到ΔZm结果数值，对ΔZm进行量化处理。当ΔZm取值在0.8～1.0 之间时，说明水利水电站工程建设对于测验工作的影响程度极大，测验结果数据可能与实际结果存在偏差；当ΔZm取值在0.5～0.8（不含0.8）时，说明水利水电站工程建设对于测验工作的影响程度较大，测验结果数据可能与实际结果存在可校正的偏差；当ΔZm取值<0.5（不含0.5）时，说明水利水电站工程建设对于测验工作无影响，或影响程度较小，可以通过人工校正的方式，实现对影响程度的综合分析。

至此，完成了水利水电工程建设对下游水文测验影响的方法设计，综上所述规范水文测验工作有利于确保水文站的稳定运行，实现人与自然和谐相处的目的。

2 实例应用分析

在完成对影响分析方法的设计后，为了验证这一分析方法的应用效果，选择以某流域为该分析方法的应用环境，开展这一覆盖范围内水利水电工程建设对其下游水文测验的影响分析。已知该流域当中富含丰富的水生生物资源，流域全长300km，在该区域上游位置完成了对水利水电工程的建设，除了对河流以及生物造成了阻隔影响以外，工程中水库调度时也对该流域下游水文测验过程产生了一定影响。为了探究具体影响，针对该流域进行影响分析。首先，提取该区域下游水文测验影响因素，其次，结合该流域上游水利水电工程建设项目，构建工程建设与水文测验关系模型。最后，引入关联度计算，对该流域水利水电工程建设对下游水文测验的影响进行分析。在分析过程中，提取各项指标并按照上述论述内容，计算得出该流域在建设水利水电工程前10 年各指标的平均数值，再计算出该流域在建设水利水电工程后10 年各指标的平均数值，将计算结果绘制成表1 所示。

表1 各影响因素指标计算结果记录表

从表1 中得出的各影响因素指标计算结果可以看出，影响因素指标P3 和P5 的相对变化更大，其次为P4和P6，最低的影响因素指标为P2，相对变化仅为2.1%，可认为这一影响因素不会影响测验过程及结果。由此可以通过相对变化确定工程建设对其测验主要受到P3 和P5 因素影响，其次为P4 和P6，在测验过程中不会受到P2 因素影响。通过上述实例能够看出，本文提出的影响分析方法能够结合最终得出的分析量化结果实现对其影响因素的确定，直观性更强，在实际应用中具备更高可行性。

为对比分析本文提出的影响分析方法和传统影响分析方法在测量流量方面的误差，选用上述流域下游洪水过程进行两种影响分析方法的测量流量结果对比，测量水利水电工程位于该水文站测验保护区内，水文测验断面距工程约80m。该水文站测验河道顺向长度450m，在基础断面下300 米处修建了一座双曲型拱桥。该流域植被覆盖率高，雨量充沛，年变化不大。洪水以暴雨为主，起伏缓慢。在高水位条件下，水位- 流量关系是一条单线，在中、低水段出现多条临时曲线。

2020 年，该水文站洪水时间从0902-0930 历时大于60d，洪水量级为中量级，河道断面洪峰流量1800m3/s，最大水面宽500m，最大垂线平均流速3.3m/s，该次洪水过程具有较高对比测验价值。于2020 年6、7 两个月该水文站利用本文提出的影响分析方法和传统影响分析方法对水文站断面出现的中、低洪水进行了对比分析，具体结果如表2、表3 所示。

表2 水文站中等洪水时测量流量精度对比表

表3 水文站低等洪水时测量流量精度对比表

从表2 可以看出水文站中等洪水桥本文提出的影响分析方法和传统影响分析方法所测得流量最大绝对误差为40m3/s，最小为0m3/s。符合水文测验规定的相对误差在5%的规定范围。从表3 可以看出水文站低等洪水桥本文提出的影响分析方法和传统影响分析方法所测得流量最大绝对误差为25m3/s，最小为0m3/s。

符合水文测验规定的相对误差在5%的规定范围。从测验时间上看传统影响分析方法测流平均在90min 左右，本文提出的影响分析方法测流平均在15min 左右，传统影响分析方法测流时间是本文提出的影响分析方法测流时间的6 倍，可见本文提出的影响分析方法测流效率极高。

3 结论

水文测验工作是指技术人员在开展相关工作时，使用专业的仪器设备，辅助现代化技术，对地区水文资料进行综合统计与分析处理的过程。通过专项统计工作，可以得到大量的水文地质数据，将此部分数据作为参照，可以为地区水利水电工程与相关项目提供进一步的参考依据。为了降低外界环境对此项工作实施造成干扰，将设计一种工程建设对测验影响程度的分析方法，并通过实践检验的方式，对设计方法的可行性进行了检验，掌握了上游工程建设工作对测验工作造成的综合影响，为实现水文地质测验、地质灾害监测等相关工作的实施提供可靠、科学、精准的测验数据。