超标洪水水位流量关系线拟定方法分析

2022-09-19李海露

经济技术协作信息 2022年27期

◎李海露

一、引言

在众多相关水文数据当中，河水流量是基本也是应用最为广泛的数据类型，其具体数值主要通过河道中的水文控制断面相对应的水位-流量关系线所计算得出。超标洪水水位流量关系线模型的成功拟定，将可以及时有效的发挥各地水文测站的作用，能够在未来面对大规模超标暴雨洪水时，及时快速地测算出洪水水位的相关信息，为防洪工作提供重要的保障，有效避免出现洪水灾害问题。

二、超标洪水水位流量关系分析

超标断面洪水水位流量关系公式主要利用流量与某一断面的水位建立而成的，表示被测水文站基本水尺断面，经过该断面的实测最大流量值与该断面水位之间关系的公式。若所要求观测区域的实际水位位置与实际测流点不相属在同一个水文断面，两个水文断面位置之间的距离比较近，中间若没有其他河道分流点或有支流的汇入，则又可视为直接的在这其中建立的水位流量关系。在确定水位流量关系中，需要对流量进行实测并确定相应水位，由于河流处于不断变化的状态，因此在分析水位流量关系时其中的特征参数也会不断发生变化，这最主要是由冲刷或淤积等情况导致的。除此之外，水生植物、冰盖、砂石等也会一定程度上引起关系特征的变化。根据河床稳定性程度可以将水位流量关系分成稳定关系和不稳定关系。对于上述不同流量河段站而言，自然天气因素变动和自然人为活动影响等情况都会共同影响到水位流量关系。

在稳定水位流量关系下，会呈现出一条近似于抛物线的单一曲线。对于该关系线的分析应先目测估算，在点群中心位置处拟定一条线，并能确保其中的检测点在关系曲线上两侧都均匀的分布，使用点群分组和计算重心的方法来确定关系线。在一个初步确定的水位曲线范围处划分出一个或多个稳定水位级，并可在以上各稳定水位级下的同一稳定水位级处分别将在其中确定的恒定流速、流量和面积读出并分析其中的关系，控制其中的误差小于3%，在此基础上计算不确定度，将误差控制在2%内。不稳定水位流量关系下，所要呈现出的水位曲线表现为形状起伏不唯一且水位变化很复杂的一条直线或多条水平曲线。由于影响因素的不同，水位流量关系曲线中的测点及其分布和状态情况也都有所的不同，在分析水位流量关系时需控制同一区域内的水文站测点变动因素，使其保持一致，并在相对稳定期间内测出水位流量关系情况。对于其中断面变化的时期，可以采用自然过渡或内插过渡等方式结合水位变化情况和测点分布情况判断水位流量关系。

三、超标洪水水位流量关系定线技巧

超标洪水水位流量关系定线中，对流量数据信息的测量是重点，因此在对相关信息整合处理时，需要包括对实测数据的整理和大断面成果数据的整理，绘制相应的水位面积、水位流量和水位流速等关系曲线，并对关系曲线进行检验。对数据信息进行整理，对平均流量和水文要素表等加强分析和检查。在水位流量关系定线前必须加强对流量资料的整编，使上述提到的各过程相互进行。在资料编制整合完成后，绘制相关水位变化的曲线，将其中的数据自动整合加工和分析。在此过程中，还需要加强对测站特征的了解，分析测验方法的标准程度，对当地的水情尤其洪水情况等加强调查研究。以此为基础，认真审查流量信息和材料，保证信息的准确性和真实性后再开展后续工作。

针对稳定水位流量关系主要表现为测站控制程度较高，水位流量关系变化影响因素基本保持稳定状态，即使其中的影响因素变化，随着水位发生变化，其中的影响因素之前也能相对互补，同样使水位流量关系线为单一曲线。在这种情况下，要想选择合适的测站位置需要考虑多方面因素。针对于本身不够稳定但因经过特定处理或引入水力因素后呈现出稳定关系的情况，在编制中要对其特殊说明，对其中所通过哪种处理关系进行详细说明，加强对相关基础资料的研究和剖析。

针对不稳定水位流量关系，其受到更多因素的影响，且受到影响因素不同会呈现出不同的测点分布状态。若是受到冲淤影响，同一水位的面积会增大或减小，水位流量关系会随之发生变化；受到洪水涨落的影响时，洪水波产生的附加比降发生变化，导致水位相同情况下，洪水流速增大，流量也会相对增大，反之流量会减小，涨水点和落水点也会出现偏移情况，导致水位流量关系线出现变化。若是受到水生植物的影响，在其生长期内，过水面积减小，糙率增大，水位流量关系线中的点分布会逐渐向左偏移，在水生植物枯竭期，该影响减小或消失，水位流量关系线中的点分布也会逐渐向右偏移。

对于水位流量关系定线推流方法的选择和操作技巧，以单一线为例，应根据测站的特征情况，采用数学模型或插值法完成曲线的拟定。使用单一曲线法推流需要对其进行单值化处理，通常使用流率表或多项式方程方法进行处理，表现出水位流量的单一关系。使用单一水位流量关系定线的主要原则在于：1.全年实测流量点应能控制当年水位变幅75%左右，高水延长不能大于20%，低水区延长控制在5%以内。2.在实测流量中，年头与年末衔接的位置要绘制上年末和下年初各1-3个测点，且保证接头位置测点的精确度，一类精度站不应大于±3%，其他站不应大于±5%。（单值化处理的站可放宽至±5%）。3.关系曲线在绘制的过程中应经过点群的中心，保证曲线的连续性和圆滑性，各点之间自然连接，不能出现反曲的情况。对于所有水位流量关系点中分布较为异常的测点要深入分析其异常原因，若是由水力因素所导致的异常情况，可作为可靠资料，需要对其进一步分析，计算和检验其中存在的错误数据信息等，若属于计算或测验方面的错误，则应予以改正，并对曲线加以调整，无法改正的，予以舍弃并做相应说明。在此过程中，使用单一曲线进行定线推流的测站要保证其分布的均匀合理性，并确保涨落水面测次分布的均匀性，控制好相邻测点之间的距离分布。在完成以上工作后，进行随机不确定度和标准差的计算和检验，确保其符合精准要求。具体来说，使用单一曲线法进行定线工作时，其中流速仪法测流定线精度应该符合定线精度指标如下表。

四、超标洪水水位流量关系线拟定方法

将以上研究作为基础，分析超标洪水水位流量关系线的拟定方法。为了能促使今后在同一汛期内各个水文测站内超标洪水等级的联合测报等工作得到有序协调开展，必须首先根据自身现有能力需求，对各种超标的洪水水位流量关系线图加以分类拟定，并逐步将其指标作为各类水文站观测的主要重点或衡量参考指标，等级进行合理划分，以此逐步确定测算出相应具体级别的最高水位流量和最小流量节点，以此数据作为决策重要基础依据和制定了相应科学的综合测报方案。对此，本文以安徽省安庆市的十处水文站作为主要案例进行分析。

1.多年综合线法

由于安徽省安庆市地区在近几年基本上属于平水年份，因此对其中的监测站网基本是没有可能出现大面积超标或洪水泛滥的异常情况，所以笔者在实际绘制水位流量关系线时，对其中的低中水位部分和高中高水位部分是参考了2020年汛期及汛前连续三年出现的大流量数据情况，中高水位部分则是完全参照了历年来所出现的断面情况，分析研究大水数据以及实测数据情况。其次，要对所选择的材料进行综合性分析，绘制整理出了相应类型的河流水位面积关系图、水位变化和平均流速关系图、水位变动和断面最大水位流速关系图以及断面水位流量关系图等，保证中高水区域的水位数量关系多年综合线的精确度。在绘制多年综合线时，要在对以上各类实测数据的分析基础上进行，并根据测站的实际情况绘制相应的水位流量关系线，其中在将中高水区域内的数据在关系线上表现出来，并在电脑绘制后分析所绘制的关系线合理程度。通常来说，在中高水区域的流量面积保持与大水时期的平均流速相一致的变化趋势，能够有利于所绘制的关系线更符合测站的特征，在超标洪水测报时，使用多年综合线能够使分析结果更为准确。

2.曼宁公式法

曼宁公式法主要在于在使用流速仪测量测速时，会存在一定的难度，需要利用特殊情况下的测量手段，该方法又被称为比降面积法。应用曼宁公式法就可以先通过对实测流量数据资料进行的分析而推测得出实际糙率情况，对于那些缺少了实测流动数据资料的实际糙率曲线上的高水位区域资料，进行分析计算时，可以直接将其与河段中的各类特征相结合，包括下游控制情况、植物生长情况、岸壁组成情况等，以此选取合适的糙率值，控制其延长幅度在20%以内。利用曼宁公式法计算也同样需要我们先进行资料来源的分析选择，进一步比对在历年的实测数据资料中所挑选的出水面比降数值和糙率数据值。在我们对相关河流实测的数据信息重新进行了整合及分析处理后，该地区河流近十年来实测出的糙率数据信息和实测水面比降数值信息均较少，更多的为十几年以前甚至更久之前的数据信息。在分析过程中，河床的冲淤、断面地物或整治等因素会导致其发生一定变化，但当拟定流量关系线法时直接使用曼宁公式法计算还是能够起到保证及一定程度的分析参考意义。对各测验站实测糙率分别绘制的关系图，并进一步分析了其实测数据点及其分布等情况，发现大多数点分布不集中，因此在分析数据时，对历年流量信息进行排列，选择其中五年一遇的流量数据和在以上分析中所得到的水面比降和糙率信息作为超标洪水的数据信息，使用曼宁公式对实际水位流量关系曲线加以计算分析，并分别将此计算数据与多年观测综合关系线及分别绘制出来的实测关系线结合进行计算验证及分析。通过计算参与测量的各站实测的洪水实际的测量变化情况进一步加以验证分析，形成相应洪水的实际水位面积关系图，得出实际超标洪水实测的水面比降值数据和糙率数据。

3.单参数地区综合法

在拟定水位流量关系线中，处于同一水文分区的洪水，影响因素主要在于流域的集水面积。单参数地区综合法主要对于同一分区内测站中的多年内平均洪峰流量和流域集水面积之间的关系加以研究。将洪水分区作为一个单元，对分区中的实测流量数据信息加以分析，建立分区内部的平均洪峰流量平均值和变差系数经验值之间的关系公式。为了整合和分析安庆市相关数据信息，对该地区水文手册中信息进行调取和分析，对其中各相关分区进行分类并计算洪水特征情况，通过其中的参数信息计算得出不同频率的洪峰流量。在此基础上再结合使用曼宁公式，计算出流量、断面面积、比降和糙率之间的关系，对断面的水位加以勘查并建立水位流量关系线。

4.多参数地区综合法

多参数地区综合法是主要研究应用于在单一面积环境下，对某单参数地区利用综合公式来对当地洪水情况等进行粗略计算分析和推测的一种方法，有时会出现计算过程的误差。由于多年暴雨特性变化和多年洪峰流量变化趋势与我国地域特征均有其一定复杂的相互关系，因此为了力求避免分析出现一些较大的误差，可以建立相应的关系曲线和公式，包括主河道平均比降、流域日平均雨量和流域形状等相关参数与洪峰流量之间的关系，以此为基础制定多参数地区经验公式，进而拟定水位数量关系线。

5.多年综合线拟定

多年综合线拟定结合使用曼宁公式法、单参数地区综合法和多参数地区综合法等对水位流量关系线进行拟定，对历年水位流量关系线数据，进行初步拟定，以此形成综合性分析方法可以进一步的提高水位流量关系线图的数据精确度。将基本断面水位面积分级表作为基础，分别绘制出水位流量关系线、水位面积关系下和水位平均流速关系线，将这些关系线综合精细化处理，形成三种相统一的关系线，进而更好地对超标洪水情况进行测报。

6.实测年最大流量频率分析法

实测年最大流量频率分析法利用频率分析软件对各数据多种频率的相应流量情况分析。利用曼宁公式对水位流量关系加以计算分析，在流量相同的情况下查找出相对应的水位信息，使不同频率水位对应不同的流量特征，以此形成水位流量关系线。

五、超标洪水水位流量关系线拟定方法总结及建议

使用以上所提到的全部超标洪水水位流量关系线拟定方法，能够将区域内的现状断面情况和历年来的实测数据信息进行综合性分析，并力图在数据整合研究和图表绘制技术的研究基础上将图中的高水部分的单位面积、平均水位流速变化等各种相关数值情况全部绘制计算出来，使其计算点群数据较为集中。中高水位区域内的洪水流量频率，相同频率情况下，大水的最大平均洪水流速走势与全国历年来平均的大水的最大平均流速趋势都较为趋于相似，且流量关系线图的绘制形式较为趋向接近，在不同频率情况下，洪水的实际集水面积和最大洪峰流量面积之间的流量关系线的拟合方法较好，所以相比较而言，拟合的多年综合线更符合测站的特征，得到的水位流量关系线更为精准。

但在以上超标洪水水位流量关系线拟定方法中仍然存在一定问题。首先，所参考的相关手册信息主要记录2009年之前的相关数据资料，虽然在使用多参数地区综合法分析计算时能够满足30a以上系列资料的相关要求，且能够具有较强的代表性，但是由于不同年份之间的断面以上水利工程和生态环境等各种因素会存在一定差距，导致数据参考性精准度有一定影响。其次，由于该地区暴雨通常局部性出现，雨量分布也较为分散稀松，呈不均匀分布的形式，但在相关记录中关于雨量的记录信息较少，其中地值线图等也难以准确地反映大范围下的暴雨趋势和分布形态，难以反映其中地形的影响，导致对局部暴雨的控制力度较弱。所以，在使用多参数地区综合法计算分析时，选择降水均值数据时基本断面以上流域的面积相对较小，精准度较低。另外，由于其中部分河道属于平原区地势地形，且会受到上游水利工程等因素的影响，若是仅通过公式计算所得到的流量会与实际值存在较大差距。

综合以上提出以下建议：1.在实际使用曼宁公式法时，需要结合具有充分验证性的实测现状断面水面流量比降数据资料，还需要利用实测糙率信息等，由于水面测量数据是很久之前的数据信息，导致水位糙率关系点不够集中，因此，为了提高水位流量关系线的精准度，应加强对现状断面水面比降数据和糙率信息的收集和分析，使其更加契合于当下的测站特征。2.受到地形冲淤等变化、断面的整治力度和断面地物、基本断面和以上生态环境变迁和其他水利工程影响等多种水文因素相互作用的复杂影响，导致水位数据信息将存在有较多范围的局部变动，因此今后在准确绘制多年实测综合流量关系线时更需要重点加强对历年实测的水位流量信息动态的局部调整处理和误差纠正，使其更好地分析应用于水利工程实际。3.在相关手册中所记载的参数地区综合法中，公式较为简洁，其使用起来较为便捷，但是由于其简单性也存在着难以反映特殊流域中的参数特性和影响因素等问题，比如难以反映在设计流域下的流域形状和河道比降情况，或者在设计流域内的坡度特别陡峭或地形特殊时，要想计算和拟定水位流量关系线还需要综合使用多参数地区综合公式法进行。