梁山闸水文站水位流量关系分析研究

梁法阳，李 栋，王洪涛，邵志恒

（济宁市水文中心,山东 济宁 272000）

1 目的和意义

随着近几年来城市发展,城镇化进程加快,为了改善供水和生态旅游环境保护等,一些地方在城镇附近的河流上相继兴建橡胶坝、拦河闸等水利工程用以满足环境保护蓄水及防汛、生态流量调度的需要,上下游闸坝时常变动,调度时间短,断面水位相应波动,在此过程中水位变幅一般较大,历时太短,测验时机稍纵即逝,虽能抢测到部分流量过程,但测验误差往往偏大,抢测洪峰流量困难,使水文站水文测验受到较大影响,如果直接采用实测资料进行整编,水量误差必然偏大,一定程度上还会影响整编成果质量。

受水利工程调蓄影响,一年中大部分流量测次并不是出现在洪水或天然来水期间,而是出现在上游水库和拦河闸坝放水期间。但有时水利工程影响的只是测验条件,并未真正影响断面水位流量关系的稳定,单纯通过增设测验断面,增加流量测次,无法从根本上解决受工程影响的水文测验问题。必须深入分析测站特性,研究受工程影响下测站水位流量关系及其变化规律,及时调整测验整编方法,才能不断提高工作质量和效率。

以2021年为例,梁山闸年内开启次数40 余次,全年共施测流量95 次,其中出现在上游拦河闸坝放水期间施测流量达86 次。因此,通过实测流量资料建立水位流量关系历年综合线,根据水位推求流量,是解决当前测验难度大、任务重,整编精度低等问题的关键,既解放了劳动力,又提高工作质量和效率。

2 测站情况

梁山闸水文站位于山东省嘉祥县纸坊镇梁山闸,1974年1 月由山东省水文总站设立,现由山东省水文中心管理。集水面积4236 km2,是洙赵新河干流重要控制站,也是国家重要水文站。详见测站沿革,见表1。

表1 梁山闸站测站沿革表

2019年测站下游14 km 范围内新建橡胶坝1 座,2020年6 月完成河道清淤工程与梁山闸重建工程,新闸设计15 孔平板闸门,设计流量1750 m3/s,设计闸上、下保证水位38.96 m、38.78 m。

3 测验断面情况

测验河段顺直,顺直段长度约600 m,梁山闸站测验河段顺直,长度600 m,有闸下270 m 桥流速仪测流断面与闸下529 m 基本水尺断面兼缆道流速仪测流断面两处测流断面。闸上基本水尺断面位于闸上70 m 处,130m 处有一处转弯,角度约150°,主槽宽约174 m~185 m,河床为沙壤土组成。

4 洪水特征

洙赵新河属湖西平原坡水河道,地面坡度平缓,流域内多年平均降雨量为641 mm,丰水年（2021年）降雨量为1134 mm,枯水年（1988年）仅为358.6 mm。受季风的影响,降雨量年内变化较大,汛期6 月~9 月份约占全年降雨的70%,降雨集中、强度大、范围广,洪水历时长,河道洪水峰低量大,降雨走向一般是自西向东,顺水流方向,形成洪峰迭加,加重了本流域的洪涝灾害。1974年以来最大流量前3 位分别为913 m3/s（1978年7 月3 日）、583 m3/s（2006年8 月24 日）、562 m3/s（2021年9 月26 日）。闸上、闸下最高水位均出现在1993年8 月6 日,分别为37.84 m、37.83 m,实测最大洪峰流量400 m3/s。

2021年汛期过后,梁山闸水文站对近几年实测资料进行认真分析,结合测站控制特性及上下游水利工程情况,以水力因素法为基础建立本站水位流量关系历年综合线。

5 测站控制分析与水位（流量）级划分

5.1 测站控制与水位流量关系稳定性分析

梁山闸站断面水位与流量关系主要靠梁山闸闸门作用来控制,水位与流量关系较为稳定,2019年,下游14 km 处建成1 座橡胶坝,受橡胶坝生态蓄水影响,流量下泄受阻,对原水位流量关系产生了一些影响,但仍受堰闸断面控制。

梁山闸站闸上、闸下基本水尺断面分别设在堰闸控制断面上游80 m、下游529 m 处,闸上控制断面与水尺断面间落差较小,闸上基本水尺断面处水位变化能够代表闸上水头变化情况。基本水尺断面和控制断面之间无其他汇水,控制断面过水流量亦可代表水尺断面流量,即使水尺断面略有冲淤变化,只要控制断面不变,水位与流量关系仍基本不变,面积的变化可为流速的变化所补偿。

5.2 水位（流量）级划分

由于梁山闸站水位流量关系主要受梁山闸闸门作用控制,根据《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）4.4.3 规定,当测站水位受工程影响严重时,可采用频率流量进行流量划分,故本次分析首先采用频率流量进行流量级划分。

根据本站历年年最大流量计算频率并绘制频率曲线,取频率为90%所对应的流量为高水流量。

考虑到水位（流量）级的划分对流量测次布置、单次流量测验精度评定、整编误差评定、单值化处理以及测洪方案编制等工作中有着重要的作用,因此同时依据年降水量、径流量和流量资料进行分析,同时充分考虑本站近两年流量测验现状,包括仪器设备、测验断面、测洪能力、实测流量等,最终确定高水流量为304 m3/s,中水流量为76.5 m3/s,低水流量为18.5 m3/s。当Q ≥304 m3/s 时,为高水期；76.5 m3/s ≤Q<304 m3/s 时,为中水期；18.5 m3/s ≤Q<76.5 m3/s 为低水期；Q<18.5 m3/s 时为枯水期。

6 实测资料选取

梁山闸站水文测验和资料整编均严格按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）和《水文资料整编规范》（SL 247-2012）

执行,技术标准统一,经合理性检查和各要素对照检查,收集的资料合理、真实、精度可靠,无遗留问题。且每年资料均经济宁市水文中心和山东省水文中心逐级审查、复审、汇编、刊印,资料具备较好的可靠性、一致性、代表性。

截至2021年12 月,本站共实测流量116 次,全部采用走航式ADCP 施测,流态均为淹没式孔流。实测最大流量562 m3/s,相应水位35.66 m,实测最小流量4.76 m3/s,相应水位34.12 m。实测流量点据涵盖高、中、低、枯各级水位。

根据梁山闸流量流态均为淹没孔流这一实际情况,决定选用淹没孔流通用流量计算公式Q = MBeΔZ 计算率定梁山闸闸孔过水流量,即《水文资料整编规范》中6 号公式,其中淹没孔流流量系数M采用实测流量推求所得数据。

7 水位流量关系定线

7.1 水力因素法定线

根据《水文资料整编规范》中6 号公式Q = MBeΔZ 计算实测流量点据相应的流量系数M2。本次分析相关因素值介于0.444~24.4 之间,为淹没式孔流流态,流量Q 随闸门启闭的变化而变化,e/ΔZ 与流量系数M2之间具有稳定的关系。以相关因素e/ΔZ 为纵坐标,流量系数M2为横坐标,通过点群中心定出一条e/ΔZ~M2关系曲线,见图1。

图1 梁山闸水文站e/ΔZ~流量系数M2 关系曲线

从图中可以看出,实测点据较为均匀的分布于曲线两侧,无系统偏离,曲线下部向左弯曲,上部随着e/ΔZ 的增加,M2值相应增大,符合淹没式孔流流e/ΔZ~M2关系曲线线型。

7.2 流量系数合理性分析

按照《水文资料整编规范》要求,对关系曲线做符号检验、适线检验和偏离检验。

符号检验公式：

式中：u 为统计量；n 为测点总数；k 为正号和负号个数；p、q 为正、负号概率,各位0.5；*为连续改正数（离散型转换为连续性）。

适线检验公式：

式中：u 为统计量；n 为测点总数；k 为变换符号次数,k<0.5（n-1）时做检验,否则不作此检验；p、q 为变换,不变换符号的概率,各为0.5。

偏离检验公式：

式中：t 为统计量；p 为平均相对偏差值；Sp为p 的标准差；s 为p 的标准差；n 为测点总数；pi为测点与关系曲线的相对偏离值。

梁山闸水文站为三类精度站,流量测验以流速仪和走航式ADCP 为主,依据《水文资料整编规范》（SL 247-2012）表3.3.2-1 的规定,三类精度水文站水力因素与流量系数关系定线精度指标为：系统误差≤3%,随机不确定度≤15%。三种检验计算结果,见表2。

表2 梁山闸水文站e/ΔZ~流量系数M2 关系曲线检验计算表

经计算,上述三种检验结果均接受原假设,定线系统误差-0.1%,随机不确定10%,均符合规范要求,定线正确、可靠。同时参考《水力学》教材及相关理论研究成果,经计算,当e/ΔZ ≤1.11 时,水力因素法定线成果中M2取值范围为1.77~3.10；当1.11 ≤e/ΔZ<14.3,M2取值范围为3.10~3.65,当14.3

综上所述,认为本次拟定的梁山闸站e/ΔZ~M2线合理、准确、可靠,可以作为水位流量关系历年综合线使用,能够满足逐日流量和相关流量特征值的推求。

8 结论

通过对梁山闸水文站2019年~2021年的实测流量资料进行分析,根据水力因素法拟定出流量系数与相关因素关系曲线,并对求得的流量系数进行合理性分析。在水力因素法分析的基础上,拟定出本站水位流量关系历年综合线,经计算,曲线均通过三种检验,随机不确定度和系统误差均符合《水文资料整编规范》（SL 247-2012）表3.3.2-1 的规定,经过进一步合理性分析认为本次定线成果合理、准确、可靠,能够用于逐日流量和相关流量特征值的推求。水位流量关系历年综合线具体使用范围为：相关因素值在0.444~24.4（相应流量0~562 m3/s）。

通过实测流量资料建立水位流量关系历年综合线,根据水位推求流量,是解决当前梁山闸水文站中、低水及枯水期测验难度大、任务重以及拦河闸坝变动期间流量整编精度偏低等现实问题的关键。

与此同时,测站将继续积累高精度的实测流量点据,以确保实测流量资料的代表性,进而不断修正现有历年综合线；当相关因素值或流量超过历年线使用范围时,应按测站特性布置流量测次,采用实测流量定线推流。