受水利工程影响的山溪性河道的落差指数法分析——以林子水文站为例
王勇成,万永智,马庆楼
（江苏省水文水资源勘测局徐州分局，江苏 徐州 221000）
摘 要：本文选取2018年-2020年林子（西泓）站符合分析条件的流量测次共203次,进行落差指数法分析。受下游橡胶坝控制，发现不同落差下Z-C～q散点分布规律不同。通过对不同落差散点进行分段，共建立了4条落差指数法Z-C～q关系线，推求流量的精度得到了有效提高。文章为受橡胶坝影响的山溪性河道的落差指数法分析提供了有益借鉴。
关键词：落差指数法；分段；橡胶坝影响
1 测站说明
林子站位于邳州市岔河镇林子村东南约2km的邳苍分洪道上。该站设立于1960年，为汛期水文站，当时站名叫艾山站，1961年上迁500m，改名为林子站，1971年下迁800m，1972年分东、西泓。测验项目有降水、水位、流量、地下水。邳苍分洪道为大运河的主要支流之一，分泄分洪道洪水及邳苍地区西加河、汶河、东加河、涑河、坦河、燕子河等区间来水，于邳州滩上集北汇入大运河，流域面积2450km2。测验河段顺直长度2200m左右,中泓偏右岸，河宽190m左右。基本水尺断面上游顺直河段长度在1100m左右，上游850m处设有上比降水尺断面并建有遥测水位自记台；下游顺直河段长度在1100m左右，基本水尺断面处建有遥测水位自记台。基下3km建有倚宿橡胶坝，林子（西泓）站流量测验常年受倚宿橡胶坝调节影响，不同落差下Z-C～q散点分布规律不同。林子水文站测验平面图见图1。
图1 林子水文站（西泓）测验平面图
2 资料选用
本次流量测验数据全部来源于林子水文站（西泓）缆道测流以及ADCP测流，水位数据来源于西泓上游以及基本断面遥测自记水位计。分析主要使用上下游落差在0.005m以上，且流量在20m3/s以上的流量测次进行分析。2018年-2020年林子（西泓）符合分析条件的流量测次共203次,所分析资料的水位处于24.89m～29.35m,流量处于20.9m3/s～1180m3/s。2019年8月11日，受台风“利奇马”影响，林子迎来五十年一遇洪水，洪水期间施测流量55次，积累了高水部分实测资料。原始数据见表1。
表1 林子站水文落差指数法原始数据表格
测次 | 基本水尺断面水位Z（m） | （Z-24） （m） | 上游水位ZU(m) | 水位差 DZ(m) | Q实 |
2018047 | 26.44 | 2.44 | 26.45 | 0.01 | 168 |
2018048 | 26.29 | 2.29 | 26.33 | 0.04 | 141 |
2018049 | 26.49 | 2.49 | 26.545 | 0.055 | 220 |
2019055 | 26.62 | 2.62 | 26.73 | 0.11 | 289 |
2019056 | 26.67 | 2.67 | 26.79 | 0.12 | 297 |
2019057 | 27.03 | 3.03 | 27.22 | 0.19 | 418 |
…… | …… | …… | …… | …… | …… |
2020059 | 28.22 | 4.22 | 28.39 | 0.17 | 587 |
2020060 | 28.23 | 4.23 | 28.40 | 0.17 | 614 |
2020061 | 28.14 | 4.14 | 28.31 | 0.17 | 606 |
2020062 | 28.01 | 4.01 | 28.18 | 0.17 | 558 |
2020063 | 28.00 | 4.00 | 28.16 | 0.16 | 570 |
2020064 | 27.85 | 3.85 | 28.005 | 0.155 | 528 |
3 分段依据与优劣势分析
通过对不同落差散点进行分段，使得落差指数法定线基于较为一致的水力条件，水位的测验以及落差大小的计算精度亦较为一致，测验所定推流曲线的推流精度有望得到提高。对比起不分段的落差指数法定线，其应用条件受落差大小影响，采用不同的拟合公式推流，应用起来较为复杂一些，比起前者增加了对河段落差大小判断这一环节。分段定线后，定线的整体性不如分段前，存在不同落差指数法所定曲线的衔接问题，但基于目前测站搜集的实测资料情况可以大体判断，当上下游落差较小时，落差计算的误差将较大，定线误差随之增大，因此依据落差大小，对参与定线的落差散点进行分段，拟合不同的落差指数法推流曲线，可以初步解决由此带来的较大误差。
4 综合定线方法与落差分级定线方法比较
综合定线法：主要是收集有较大流量时河段的落差，根据实测流量，建立基本水尺断面水位Z-C(C为常数)与校正流量因素q(Q/DZb)的相关关系[1]，并根据相关关系的好坏确定落差指数β，再由公式推求的校正流量因素q乘以
，从而得到落差指数法推求的理论流量Q推，将实测流量推出的q与线上算得的q¢进行对比，得到相对误差的均值`p、实测点标准差Se以及置信水平为95%的随机不确定度X¢q这三个指标，根据这三个指标值的大小，判断落差指数法定线推流的精度是否符合规范要求。综合定线法的特点是以一条Z-C～q关系线拟合所有基本水尺断面水位Z与校正流量因素q的相关关系，只有一个落差指数β。
落差分段定线法：定线之前，根据测验河段落差的大小结合散点图中散点(x,y)的分布规律，其中x=Z-24,y=q，将实测资料按落差大小分组，对分好的各组再参照综合定线的方法分别定线。落差分段定线方法基于具有相近落差的散点往往对应相似的水情与橡胶坝运行工况，是对现实情况的细化与分段模拟。落差分段定线法的特点是以多条Z-C～q关系线拟合不同落差下基本水尺断面水位Z-C与校正流量因素q的相关关系，每条Z-C～q关系线都对应一个落差指数β。
5 定线成果比较
本文通过综合定线法与落差分段定线法的散点图以及两种方法的定线精度对比表格，对两种定线成果进行比较。具体见表2
表2 综合定线法与落差分段定线法精度对比表格
线名 | 测点数n | 落差 指数 b | 系统误差`p(%) | 标准差Se（%） | 95%随机不确定度 X¢q（%） | 相对误差³10% 的测点数 | 占比（%） | 相对误差最大值（%） | 适用落差范围(m) |
综合线 | 203 | 0.36 | 0.5 | 16.7 | 33.4 | 63 | 31 | 63.1 | 0<DZ |
1号线 | 20 | 0.20 | -1.5 | 7.5 | 15.0 | 2 | 10 | -12.6 | DZ<0.03 |
2号线 | 12 | 0.70 | -0.7 | 5.5 | 11.0 | 1 | 8 | -10.8 | 0.03£DZ<0.05 |
3号线 | 16 | 0.57 | -0.3 | 5.7 | 11.4 | 2 | 13 | 10.4 | 0.05£DZ<0.10 |
4号线 | 155 | 0.30 | 0.1 | 4.0 | 8.0 | 2 | 1 | 11.6 | 0.10£DZ |
通过图2～图6，可以看出：落差分段定线法使得Z-24与q的相关系数R2得到了一定程度的提高，原来的相关系数R2=0.9613，落差分段定线后各相关线的R2介于0.9724与0.9948之间，数据分段后同一落差段内的数据更具相关性。通过表2可以看出：落差分段定线后，定线的标准差Se和95%随机不确定度 X¢q大幅度降低，4号线的定线精度甚至达到了一类精度站定线精度指标[2]。相对误差超10%的测点数由原来的63个减少为7个，相对误差的最大值由63.1%降为12.6%，推求流量的精度得到大幅度提高。
6 总结与展望
本文根据不同落差，分段分指数定线，相对于传统的不分段并且只有一个落差指数b的定线方法，能够明显提高定线与推求流量的精度。若在此基础上继续积累资料，对1号线至3号线进一步完善，则有望通过西泓上游断面与基本水尺断面两组水位，实现流量的实时在线，为防汛决策提供及时、准确的数据支撑，同时为受橡胶坝影响的山溪性河道的落差指数法分析提供有益借鉴。
参考文献
[1] 刘东生，陈松生，魏进春等.GB 50179-2015 河流流量测验规范[S].北京：中国计划出版社，2015
[2] 陈松生，赵蜀汉等.SL/T 247-2020 水文资料整编规范[S].北京：中国水利水电出版社，2020
作者简介：王勇成（1980--）男，江苏省水文水资源勘测局徐州分局高级工程师，主要从事水文水资源监测及评价工作。联系电话：19952199557；邮箱：610084321@qq.com；通讯地址：徐州市云龙区中茵广场5号楼水文局；邮编：221000
