万店水文站枯水定线推流方法分析

2024-06-04马红兵李俊辉肖洒

中国科技投资 2024年7期

马红兵李俊辉肖洒

摘要：万店水文站枯水分别采用连实测流量过程线法及临时曲线法两种方式定线推流，本文经对两种枯水定线推流方法成果进行对比分析，发现临时曲线法定线推流简化了该站流量测整工作，经济可行，以供参考。

关键词：水文站；枯水；定线推流；临时曲线法

DOI：10.12433/zgkjtz.20240752

萬店水文站枯水原采用连实测流量过程线法定线推流，测验上要求有较多的流量测次，并能控制流量变化过程，整编将实测流量点连成光滑的过程线，以推流时间在过程线上查读流量，流量测整工作费时费力。通过现场查勘讨论，按有关水文专家的建议，2023年该站枯水分别采用连实测流量过程线法及临时曲线法两种方式定线推流，并对两种定线推流方法成果进行了对比分析。

一、基本情况

水文站位于湖北省随州市曾都区万店镇龙头湾村，控制长江流域汈汊湖水系府澴河左支漂水干流，至河口距离20km，集水面积489km2。该站于2007年1月由塔儿湾（三）站测验断面上迁7km建成，属国家基本水文站，二类精度，测验项目为降水量、水面蒸发量、水位、流量。该站测验河段顺直长300m，河床由细沙组成，属于不经常性冲淤；流速仪测流断面位于基本水尺断面下游4m，左岸为湿地公园和堤防，右岸为站房；基下28m有G240塔儿湾大桥，基上338m和基下668m各建成一座混凝土拦河坝。两座拦河坝坝型一样，坝高均为1.5m，坝顶有漏水槽，坝体有5个排水管，坝下有消力池。下游拦河坝坝顶高程68.90m，漏水槽底部高程68.68m，排水管底部高程67.43m。低枯水时河水从排水管和漏水槽下泄，中高水时河水漫坝溢流。

漂水水资源开发程度较高，主要方式为水库、拦河坝。水文站上方漂水干流无水库工程，支流上建有小型水库40座，水库总集水面积占万店站集水面积的14.6%，天然径流过程受到一定程度的调节。水文站以上漂水干流建有各类拦河坝20处，拦河坝的建设在流域的农业灌溉以及村庄环境景观等方面发挥了明显作用，但导致河流水系连通不畅，河道生态基流不足，水草生长茂盛，河流淤积萎缩。

二、枯水期流量测验

（一）枯水期临时测流断面布设

水文站基下668m拦河坝自2020年1月竣工以来，坝址上游河道泥沙淤积逐渐严重，水草生长茂盛阻碍河水流动，拦河坝排水管的进水口被人为堵塞泄水不通畅，因而河流水体流通性差。流速仪测流断面在枯水期受变动回水和水草生长影响，水深大、水草多，不能使用低流速仪测速，且测验河段整治困难，不适合开展枯水测流工作，只能迁移至无水流进、出的河段内设置临时断面测流。根据《河流流量测验规范》第2.1.3条、第4.6.5条的规定，2022年1月在基下668m拦河坝下游河段内设立枯水期临时测流断面。该临时测流断面的测验河段顺直、稳定、水流集中，无分流岔流、斜流、回流、死水等现象；断面垂直于流向，与流速仪测流断面之间的河段无支流汇入和水流分出。

（二）枯水期辅助水尺断面布设

根据《河流流量测验规范》第4.6.4条第2～3款的规定，因水文站基本水尺水位与枯水期临时测流断面的流量关系不佳，且经常在枯水期临时测流断面测流，于是2022年12月在基下668m拦河坝下游河段内布设辅助水尺断面，设立辅助水尺一根，同时安装气泡水位计，2023年1月开始记录辅助水尺断面水位。2023年2月辅助水尺断面上迁5m，设立辅助水尺一根，气泡水位计同时上迁5m。

（三）枯水测流

2023年，水文站基下668m拦河坝仅有1个排水管泄水较通畅；漏水槽有水草等漂浮物堵塞时，工作人员会及时清除漂浮物，保持泄水通畅。基下668m拦河坝泄水现状，当基本水尺水位小于等于68.80m时，流速仪测流断面死水面积很大流速太低，水位流量测点分布散乱，无规律可循。因此，当基本水尺水位小于等于68.80m时，人工校测辅助水尺断面水位，同时在枯水期临时测流断面涉水开展枯水测流工作。水文站枯水测流优先采用低流速仪法，其次采用小浮标法，流速测量采用LS45A型旋杯式流速仪或小浮标。

同年，水文站枯水测流次数按辅助水尺断面水位变幅或受河道水草生长影响时间布设，并兼顾基本水尺断面水位变化过程转折点，每隔十天左右测流一次，以同时满足连实测流量过程线法及临时曲线法定线推流为原则。在保证作业安全和流量资料精度的条件下，2023年万店站按规范和测验任务书要求，在枯水期临时测流断面施测枯水流量36次，实测流量均小于本站多年平均流量3.19m3/s。

三、枯水流量资料整编

2020～2022年，因受拦河坝拦水和河道水草生长共同影响，枯水定线推流均采用连实测流量过程线法。根据《水文资料整编规范》第6.4.6条的规定，水文站基下668m拦河坝下游枯水期临时测流断面的河槽控制条件和河床在一定时期内基本稳定，但受河道水草生长及断面不经常性冲淤共同影响，局部时段内存在变化，因此2023年枯水可采用临时曲线法定线推流。水文站流量资料整编方案调整如下：当基本水尺水位高于68.80m时，以基本水尺水位与流速仪测流断面流量建立关系，采用单一曲线法定线推流；当基本水尺水位小于等于68.80m时，以辅助水尺水位与枯水期临时测流断面流量建立关系，采用临时曲线法定线推流。

（一）绘制枯水水位流量关系临时曲线

2023年，水文站沿用手工定线的思路和步骤，利用南方片水文资料整编系统2.0版中关系曲线图形计算机处理软件的图形管理、图形生成、图形编辑、曲线管理、数据库管理、误差统计、图形输出等程序功能，管理分散的节点数据，并实现曲线的连接、管理、编辑修改等功能，在计算机上完成枯水水位流量关系曲线的拟合及图形生成。

1.枯水水位流量关系点分组

（1）绘制辅助水尺断面逐时水位过程线图

将2023年水文站辅助水尺断面逐时水位（辅助水尺断面遥测水位数据）、辅助水尺断面枯水逐时水位、辅助水尺断面枯水测流水位（枯水实测流量的相应辅助水尺水位）、枯水实测流量施测号数均点绘于同一坐标图上，绘制成辅助水尺断面逐时水位过程线图。2023年枯水流量测次基本控制了辅助水尺断面枯水水位变化过程的转折点。

参照辅助水尺断面枯水逐时水位过程线的变化，依时序了解枯水实测流量点的走向，经分析确定，临时测流断面枯水水位流量关系相对稳定时段分三个阶段：第一个阶段为10100.00～22515.30，采用2022年12

月设立的辅助水尺观测枯水水位；第二个阶段为22521.10～40408.05、40915.50～41123.35、41212.30～

41323.10、41412.00～42313.35、42405.45～42417.15、42916.25～50414.55、51110.50～52318.10、52418.40～

52422.40、52506.15～52715.15、52823.45～60622.40、60810.45～61617.12，采用2023年2月25日设立的辅助水尺观测枯水水位；第三个阶段为61617.12～61722.10、62517.00～70318.55、71114.35～71416.20、72218.25～72310.10、72418.25～72620.20、80717.50～82123.40、090305.00～091114.25、091116.20～091207.00、101902.20～123124.00，采用2023年2月25日设立的辅助水尺观测枯水水位，且河流水草生长茂盛，使河道有效过水断面面积减小，产生壅水，糙率增大，水位流量关系点子逐渐左移；过渡时段22515.30～22521.10，该时段为辅助水尺断面上迁及气泡水位计安装调试期间。

（2）绘制临时测流断面枯水水位流量关系点图

为寻求临时测流断面枯水水位流量关系规律，将2022年末Q84号测点、2023年枯水实测流量点和2024年初Q1号测点均点绘于同一坐标图上，绘制成临时测流断面枯水水位流量关系点图。辅助水尺水位67.51～67.71m之间的枯水水位流量关系点比较密集，有规律地分布成三个带状，各带状之间仅有少数测点变动。

结合辅助水尺断面逐时水位过程线图、临时测流断面枯水水位流量关系点图分析，枯水实测流量点分3组：第1组Q1～9号测点对应枯水水位流量关系第1个相对稳定阶段，同2022年末Q84号测点一起定线；第2组Q10～14、Q17～20、Q23、Q26～31号测点一起定线，对应枯水水位流量关系第2个相对稳定阶段；第3组Q36～37、Q45、Q47～48、Q51、Q56～60号测点对应枯水水位流量关系第3个相对稳定阶段，同2024年初Q1号测点一起定线。

2.拟合枯水水位流量关系单一曲线

根据《水文资料整编规范》第6.4.4条c款、6.4.6条b款的规定，水文站按定单一曲线的要求，结合三组枯水实测流量点，利用关系曲线图形计算机处理软件，选用数学函数多项式方程分别拟合枯水3个相对稳定阶段的水位流量关系单一曲线，对应的曲线编号分别为1号、3号、4号。多项式方程数学模型为Q=a0+a1Ze+a2Ze2+…+amZem，式中a0、a1、…、am为系数，用水位推算流量。根据水文资料整编精度标准，改变多项式的项数，由低到高求出多个方程加以比较，从中挑选出最优的多项式作为选配方程。1号、3号、4号水位流量关系单一曲线选配的最优多项式方程分别为：

X=42.76248×（Y－66.52）2－76.80344×（Y－66.52）+34.28054；

X=50.12749×（Y－66.51）2－94.60762×（Y－66.51）+44.51879；

X=53.45418×（Y－66.51）2－104.13550×（Y－66.51）+50.72864。

式中X為计算流量，Y为辅助水尺断面水位，Y－66.52与Y－66.51为有效水位。拟合的三条水位流量关系单一曲线均通过点群中心，连续光滑，未出现反曲现象，且实测点对关系线的标准差、系统误差均符合《水文资料整编规范》第5.3.2条a款规定的定线精度指标。

3.绘制相邻曲线间的过渡线

根据《水文资料整编规范》第6.4.6条c款的规定，分析2023年水文站拟合的枯水水位流量关系单一曲线可知，该站枯水两相邻水位流量关系单一曲线间的过渡线，根据过渡时段的水位变化和关系点的分布情况，分别采用自然过渡、内插曲线过渡方法绘制，过渡曲线直接查读流量。

（1）绘制自然过渡线

枯水3号与4号两曲线的底部接近重合，可修正其底部至完全重合而自然过渡。参照4号曲线的趋势，微调3号与4号两曲线底部67.51～67.57m之间的水位流量关系节点，使两曲线67.51～67.52m之间的线体逐渐重合，3号曲线自然过渡到4号曲线，同时保证修改后的两曲线定线精度符合规范要求。

（2）绘制内插过渡线

枯水1号与3号两曲线间无过渡性实测流量点，只能定内插过渡线。在该站辅助水尺断面逐时水位过程线图中，查找出1号与3号两曲线间水位变化平缓的短时期过渡时段为2月25日15：30～21：10，水位区间为67.53～67.55m。分别在1号、3号曲线上查找出水位67.55m、67.53m对应的水位流量关系节点，用直线连接两节点，该线即为2号内插过渡线。

4.枯水水位流量关系临时曲线检验

枯水1号、3号、4号曲线的测点在10个以上，根据《水文资料整编规范》第5.4条的规定，三条曲线做了符号检验、适线检验和偏离数值检验。三条曲线的三种检验结果均合格，标准差、系统误差均符合《水文资料整编规范》规定的定线精度指标；1号曲线与2022年末一根曲线间的线接头误差为－3.4%，4号曲线与2024年初一根曲线间的线接头1.0%，均符合规定。

（二）逐月平均流量分析

水文站枯水分别采用连实测流量过程线法及临时曲线法两种方式定线推流。经对比分析流量整编成果，水文站枯水采用连实测流量过程线法推求的2023年1月、4月、5月平均流量分别偏大21.6%、14.3%、22.1%，3月平均流量偏小39.3%，其余月份平均流量误差较小，年平均流量偏大3.8%。

四、结语

水文站枯水采用连实测流量过程线法定线推流对流量测验频次要求较高，同时要兼顾基本水尺断面水位变化，每隔十天左右测一次，但仍不能精准控制流量变化过程，导致部分月平均流量整编成果相对误差较大。临时曲线法定线推流按辅助水尺断面水位级布设测次，流量测次基本控制了水位变化过程。

经对两种枯水定线推流方法结果分析，临时曲线法定线推流不仅能满足规范要求，还能大大减少流量测整工作量，减轻职工的劳动强度，降低生产成本，为该站实行巡测提供了技术条件，为受小型水利工程影响的水文站枯水定线推流方法提供了借鉴，故本站枯水定线推流方法采用临时曲线法合理可行。

测验河段的条件对测整工作影响很大，后期将加强枯水流量测验和整编的研究分析，不断优化推流方案，以进一步提升测验精度和成果质量。

参考文献：

[1]刘东生，陈松生.河流流量测验规范[M].北京：中国计划出版社，2015.

[2]陈松生，赵蜀汉.水文资料整编规范[M].北京：中国水利水电出版社，2020.

[3]郑玉峰.水文站渠道输水流量测验误差分析及优化设计[J].海河水利，2022（02）：89-92.

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