塘渡口站落差指数法整编分析

陈含华，林江波，肖碧琦，范腾腾

（邵阳水文水资源勘测中心，湖南 邵阳 422099）

1 基本情况

塘渡口站系国家重要水文站，资水一级支流夫夷水下游控制站，2003年开始收集资料，开展水位、流量测验工作。集水面积4548km2，平均坡降0.83‰，测验河段顺直长度600m。上游2.5km处有滚水坝电站，下游200 m处为急滩和滚石滩，测站控制较好，下游4.2 km处汇入资水干流，下游18 km有孔雀滩水电站，受干流顶托和水电站蓄水影响严重。断面宽110～160 m，流速分布均匀，无分流、串沟及冲淤影响，低枯水受水草及上下游电站开、关闸影响。为了寻求塘渡口站水位流量关系单值化，在本站基本水尺断面上游约1.8 km处安装雷达式水位计，利用上下游站的水位建立关系。

2 测验概况

塘渡口站每年测流150～200次，实测历年最高水位232.41m，最低水位221.36m，历年水位变幅11.05m。实测最大流量3 720 m3/s（水位231.75 m），最小流量2.53 m3/s（水位221.36 m）。由于受资水干流顶托影响和水电站蓄水影响，实测流量点据非常散乱。每年采用定临时线、绳套线、连时序线和连实测流量过程线等整编。

本次分析采用2017年的资料，全年实测最高水位232.41 m，实测最低水位222.14 m，全年定5根临时线，5根过渡线，5个连实测流量过程线进行整编，现将受顶托影响的定线为连实测流量过程线和连时序方法的测点，用落差指数法进行校正流量，然后合并定线，所选的资料能代表本站全年低、中、高水位的水流变化特性。

3 落差指数法计算原理与方法

3.1 基本原理

对于河段顺直，底坡与断面变化不大、受变动回水与洪水涨落两种因素综合影响时，实测流量与各水力因素之间的关系可用曼宁公式表示为：Q=AR2/3S e1/2/n。糙率n、断面面积A、水力半径R均为水位的函数，忽略流速水头的沿程能量损失，用水面比降S代替河底坡降S e，相同水位因受变动回水影响程度不同的两流量之比为Q1/Q2=（S1/S2）1/2，也可写为Q1/（S11/2）=Q2/（S21/2）=R2/3A/n。

Q/（S1/2）是水位f（z）的单值函数关系。用落差△Z代替水面比降S，并把落差与整编断面比降不一致的断面改正因素用指数β表示，则该公式可写为q=Q/△Zβ。此乃落差指数法的基本公式，式中q为校正流量，△Z为落差，Q为实测流量，β为落差指数。

由于河流的实际情况十分复杂，通常采用单一辅助断面观测落差进行落差指数法整编难以满足规范的误差要求，一般采用多辅助断面同步观测，计算综合落差来进行落差指数法整编。公式如下：

△Z综=α1△Z1+α2△Z2+α3△Z3+……+αn△Zn

式中 α——落差系数，α1+α2+α3+……+αn=1；

△Z——测站基本水尺与落差水尺1、2、3……n的同时水位差。

3.2 校正流量的计算方法和步骤

1）落差：根据辅助站与塘渡口站同时水位的落差及塘渡口站与罗家庙站的同时水位落差，以河流长度为权重进行加权求得综合落差△Z。

△Z=（辅助站水位-塘渡口站水位）×（1.8/6.9）+（塘渡口水位-罗家庙站水位）×（5.1/6.9）。

2）根据公式q=Q/△Zβ试算了β值各为0.45、0.50、0.55的校正流量，并根据各β值的校正流量点绘水位～校正流量关系图，定出关系线，求出各β值的校正流量点偏离关系线的标准差，将各线的标准差进行比较,根据标准差最小的原则优选出该站的β值为0.5时的标准差最小。根据56次实测流量经校正后定为单一线，定线的关系误差为：标准差为7.0%，系统误差为0.9%，随机不确定度为14.0%，详见表1。符合规范规定的水力因素型方法的定线标准。β值为0.5的水位与校正流量的关系线见图1、图2。

表1 塘渡口站落差分析表

续表1

图1 2017年水位校正流量关系图

图2 2019年水位校正流量关系图

将水位校正流量曲线进行检验，算得：标准差S e（%）=7.0，随机不确定度为14%，系统误差为0.9%（说明：符合规范定线要求）。

3.3 误差分析

由图1可知Q104和Q105次流量偏离值比较大，Q103、Q104、Q105相比较，Q103水位高，落差大，但最大测点流速和断面平均流速都比Q104小，不太合理，Q104和Q105存在测验误差，予以舍弃。

3.4 还原计算

根据水位校正流量关系曲线，计算出Q，Q=q×△Zβ，将还原流量进行整编计算，求得径流量为44.06亿m3，原整编成果径流量为44.27亿m3，误差为-0.47%，符合规范的要求。

4 方案验证

为确保方案的可行性，特采用2019年受顶托影响连实测流量过程线法的测点，用落差指数法校正流量，然后定线。表2为塘渡口站校正流量表。

表2 塘渡口站校正流量表

将水位校正流量曲线进行检验，算得：标准差S e（%）=4.8，随机不确定度为9.6%，系统误差为-0.4%（说明：符合规范定线要求）。

从以上检验计算中可以看出，塘渡口站选用落差指数法整编能够满足《水文资料整编规范》中水力因素法一类精度站定线精度指标要求。

5 总结与建议

塘渡口站为一类精度站，但根据《河流流量测验规范》（GB 50179-93）附录第A.0.3条“当水文测站受测站控制和测验条件的限制难以达到原有精度要求时，可降低一个精度类别，但不应低于三类精度。”之规定，塘渡口站采用落差指数法整编能够满足《水文资料整编规范》中水力因素法一类精度站定线精度指标要求，方案完全可行。在日常测验工作中应保证单次流量测验精度。