水利工程論文-螺山站水位流量關系變化的研究.doc

水利工程論文-螺山站水位流量關系變化的研究摘要：本文根據(jù)1954至1999年間的16個高洪典型年的長系列實測水位流量資料，采用單值化水位流量關系曲線和非恒定流水位流量關系模型的比較對螺山站水位流量關系的變化進行分析。綜合分析結(jié)果表明：下荊江系統(tǒng)裁彎后，螺山水位流量關系逐漸左移，同流量下水位逐漸抬高；螺山斷面的泄流能力已發(fā)生顯著變化。關鍵詞：非恒定流水位流量關系綜合落差指數(shù)法可比性泄流能力變化1前言近年來，長江流域連續(xù)出現(xiàn)了大洪水，城陵磯上下河段，洪峰水位連年超歷史紀錄，在來水量小于1954年洪水來量的情況下，洪峰水位卻大大高于1954年最高洪水位，其控制水文站螺山水文站，1998年創(chuàng)下了34.95m（凍結(jié)吳淞基面，下同。）的歷史最高水位記錄，高出1954年最高水位1.78m之多，而洪峰流量卻比1954年洪峰流量少11300m3/s。近幾年螺山站洪峰水位、流量與1954年的情況詳見表1表1螺山站近年洪峰水位、流量與1954年洪水的比較年份1954199619981999年最高水位Z/m33.1734.1834.9534.60年最大流量Q/m3s-179900675006860068500注：表內(nèi)水位為水文站實際觀測值未作斷面換算。2螺山附近河道概況和螺山站水位流量關系主要影響因素21螺山附近河道概況螺山河段上段城螺河段長30.5km，沿岸受城陵磯、白螺磯道人磯、楊林磯龍頭山以及螺山鴨欄等天然節(jié)點控制，河床分汊，河道穩(wěn)定。下段新堤河段，主要受下游赤壁山節(jié)點控制，但因節(jié)點間距離較長，對水流的控制作用較弱，水流出螺山后河道逐漸加寬，主流擺幅較大，河床多段呈散亂寬淺，為邊灘、潛洲的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。自1994年實施界牌河段整治以來，邊灘、新淤洲等成型淤積體淤高完整，河道趨向穩(wěn)定。本河段的地理位置特殊，上接長江中游蜿蜒曲折的下荊江河段與洞庭湖出口的交匯處；下有陸水及長江第一大支流漢江入?yún)R。洞庭湖的調(diào)蓄以及下游支流的漲落水流對該河段的水位流量關系有一定影響。尤其本世紀以來下荊江發(fā)生的幾次自然和人工裁彎，河長縮短太多，加速三口萎縮，引起了江湖關系的調(diào)整和本河段水沙條件和河勢的變化。2.2螺山水文站的基本特征螺山水文站位于湖北洪湖市境內(nèi)，控制流域面積1294911km2，中、高水位時河段順直長約2km，測流斷面呈W型，斷面沖淤變化較大，主泓位置歷年來有所擺動。該站水位流量關系主要受節(jié)點控制，螺山和鴨欄磯出露的基巖及下游30km右岸赤壁山對該站水位流量關系起不同程度的控制作用。螺山站歷年水沙情況變化,見表2。表2螺山站水沙統(tǒng)計表時段含沙量（kg/m3）平均流量（m3/s）平均徑流量（億m3）平均輸沙量（億t）195419580.5792150068013.81195919660.6562000063204.11196719720.6862000063124.31197319800.7302010063434.63198119880.7612010063344.82198919950.5562060064953.67可以看出，1954年至1988年螺山站含沙量逐時段增加。下荊江裁彎后，含沙量增加值相對較大。2.3螺山站水位流量關系的主要影響因素螺山站所處河段的地理位置決定了該站水位流量關系影響因素較為復雜。主要包括：a、斷面和河段的沖淤變化及河勢調(diào)整；b、洪水漲落率影響；c、下游堤防、洲灘變化及分洪和下游變動回水的頂托影響等。現(xiàn)就各因素的影響情況分述如下。2.3.1斷面和河段沖淤自1954年以來螺山站斷面一直處于不穩(wěn)定的變動之中。19541966年該站的水位面積曲線呈左移趨勢，19661976年變動不大，1976年以后左移趨勢更加明顯，至1986年淤積達到極點。1987年后開始沖刷，至1996年基本接近5060年代狀態(tài)，隨后又呈現(xiàn)淤積狀態(tài)。說明自下荊江裁彎以后，螺山河段淤積明顯。從螺山斷面的沖淤過程，可以初步推斷荊江裁彎引起的江湖關系的調(diào)整和對下游河道的影響正在向螺山以下河段推進，螺山以下附近河段在今后一段時間內(nèi)仍將以淤積為主。90年代城陵磯至螺山水位落差的減少以及螺山至龍口水位落差的增加，也從一個側(cè)面說明了螺山至龍口河段內(nèi)淤積發(fā)展的可能性。2.3.2洪水漲落和回水頂托歷年螺山站中高水水位流量關系曲線均呈不規(guī)則的時序型繩套曲線，同一水位下流量差一般為2030%，最大可達50%以上；在流量為50000m3/s時，水位變幅可達12m；當水位為33m時流量變幅為1000015000m3/s。造成這一現(xiàn)象的主要原因是洪水的漲落和下游回水的頂托。當洪水來源主要系洞庭湖來水時，因長江底水較低，洪水漲落影響較荊江來水要大；當上游來水與螺山以下區(qū)間洪水（如陸水、漢江以及螺山以下電排站排澇入江的水量）遭遇時，頂托影響加劇，從而使水面比降減少，流速降低，水位抬高。根據(jù)5090年代城陵磯（七里山）、螺山、龍口三站水位落差變化的分析，發(fā)現(xiàn)三站落差的變化呈現(xiàn)以下趨勢：城陵磯螺山河段，60年代與50年代比較逐漸增大，螺山站水位高于29m時增大幅度在.m左右，水位29m以下時增幅為0.15m左右；7080年代與60年代比較水位29m以上基本一致，而水位29m以下增大約0.15m；90年代較80年代減少約0.15m，與60年代相當。而螺山至龍口河段，5080年代高水落差基本穩(wěn)定，低水（水位29m以下）6080年代較50年代有明顯增大，平均增幅在0.20m以上；90年代各級水位均有偏大趨勢，增幅為0.10m左右水面落差的這一變化趨勢無疑對水位流量關系會產(chǎn)生影響。3水位流量關系變化分析螺山站水位流量關系受多種因素綜合影響所呈現(xiàn)的復雜的多值關系，使得次洪與次洪、年際與年際之間缺乏可比性。要水位流量關系在次洪、年際間具有可比性，必須將各種因素影響的水位流量關系轉(zhuǎn)換到同一基礎上，亦即采用目前國內(nèi)通用的綜合落差指數(shù)法來探求螺山站水位流量關系的變化。天然河道的洪水演進可用圣維南（St.Venant）方程組描述。由圣維南非恒定流動量方程作適當變換并忽略慣性項()后，可得：以上式中Q為流量；K為流量模數(shù)；S0為穩(wěn)定流比降；h為水深；x為距離；V為流速；t為時間；g為重力常數(shù)。對于兩固定斷面而言式中：Z表示兩固定斷面的水位差；L為兩固定斷面的間距。以式（2）代入式（1），則有由于K與水深為單值關系，而L為常數(shù)，故K/L0.5也與水深成單值關系，令即可導出落差指數(shù)法的理論公式，即式中q稱單值化流量（或流量校正因素）。上式中落差指數(shù)0.5是理論值，當水面線不是直線而是曲線時，尤其當兩固定斷面距離較遠時水面線比較明顯地表現(xiàn)為曲線，欲使曲線落差逼近直線落差，式（4）的處理不一定都能達到預期的目的。因此，在實際工作中經(jīng)驗性地將式（4）表示為：此即落差指數(shù)法的基本公式。實踐證明，式（6）較式（5）處理方法更靈活，效果更好。螺山站上距洞庭湖出口七里山30.5km，下游61km有龍口水位站（1986年下遷8km并更名為石磯頭水位站）。采用綜合落差指數(shù)分析時，綜合落差公式為Z=aZ1+bZ2式中：Z1為七里山至螺山站落差，表示漲落影響；Z2為螺山至龍口站落差，表示回水頂托影響，其中1986年以后以石磯頭水位換算至龍口；a、b表示兩河段落差的權重，在一定意義上可把a看作考慮漲落影響的權重系數(shù)，b可看作考慮回水頂托影響的權重系數(shù)，在計算時一般取a=L2/（L1+L2）、b=L1/（L1+L2），其中L1、L2分別為七里山至螺山、螺山至龍口的間距，本次分析取a=0.67、b=0.33。資料采用年限為19541999年，并劃分為6個時期即：19541966年、19671976年、19771981年、19821986年、19871993年、19941999年。每個時期按年最高水位從高到低選14個典型年。具體年份為：1954、1956、1957、1964、1968、1969、1970、1973、1976、1980、1982、1983、1991、1996、1998、1999共16年。3.1水位單值化流量關系變化通過16個典型年資料計算機逐層統(tǒng)計識別優(yōu)選，使各年Zq關系擬合最佳。發(fā)現(xiàn)綜合落差指數(shù)年際間變化較大，5080年代其值在0.61.1之間變動，進入90年代以后逐漸衰減，至19961999年其值在0.30.5之間。綜合取=0.5，各典型年Zq關系擬合較好，符號、適線、偏離數(shù)值檢驗合理，各年水位單值化流量關系測點標準差在4.047.68%之間，單值化流量測點對單值化線相對誤差小于10%的測點占全年測點總數(shù)的比例為80100%，符合水文年鑒編印規(guī)范單一曲線的定線標準。將各年Z關系點繪在同一圖上，可以看出螺山站水位流量關系年際間變化較大。與1954年關系線比較，除1956、1957年關系線外，6090年代關系線系統(tǒng)偏左，且逐年代左移。該站水位流量關系變化總的趨勢是：同流量級水位90年代比50年代明顯抬高，同水位級泄流能力90年代比50年代明顯降低。為進一步分析同流量級水位的抬高量和同水位級泄流能力的減少量，根據(jù)各水位級和流量級七里山至螺山、螺山至龍口可能出現(xiàn)最大、最小和平均落差，按各個時期的平均線比較推算出各流量級水位的變化量和各水位級泄流能力的變化量，并將計算成果進行綜合分析比較，可以初步得出螺山站水位流量關系的變化規(guī)律：(1)隨著流量的增加水位抬升變化量逐漸減少，但同流量級水位抬升量有逐年增加趨勢，且水位的抬升變化以19671981年最為顯著，1982年以后流量40000m3/s以下水位抬升趨于平緩，流量40000m3/s以上1994年以后抬升變化量加大。若按各個時期分析樣本年份的平均線比較，19941999年與裁彎前對比30000m3/s以下對應平均落差時水位抬高量在1.56m以上；3000040000m3/s水位抬高量為1.561.31m；4000050000m3/s水位抬高量為1.311.17m。(2)螺山斷面的泄流能力已發(fā)生顯著變化，19541981年減少較多，19941999年與裁彎前比較，水位2533m按平均落差計算泄流能力減少55006130m3/s左右；水位20m泄流能力減少3360m3/s左右，但該水位級自1987年以后泄流能力較80年代初略有增加。3.2非恒定流水位流量關系變化動量方程式（1）在一定程度上表征了非恒定流水位流量關系的基本特性。模型主要受控于洪水特性（包括水位的高低變化、洪水的自然漲落和變動回水的頂托）和河道的邊界條件，可以近似地認為是自然洪水特性和河道邊界條件在水位流量關系上的映射。對式（1）作適當變形后，按參考文獻6的算法，以螺山站16個典型年按年度劃分的非恒定流水位流量關系。各年擬合精度較之單值化處理的精度有較明顯的提高，水位流量關系測點標準差在3.275.75%之間，點對線相對誤差小于10%的測點占年測次總數(shù)的比例為92.73100%。1954年洪水是長江近百年來具有代表性的洪水，且已作為長江中下游防洪規(guī)劃的典型年。在目前的河道條件下，若重演1954年的水位，水位流量關系和河道的泄流能力將會如何變化呢？這是許多人十分關心的問題。以1954年七里山、螺山、龍口三站的水位過程輸入各典型年非恒定流水位流量關系模型，推算出相應的流量過程并轉(zhuǎn)換為水位流量關系曲線后與1954年模型實際推算的水位流量關系曲線進行比較，十分明顯地看到了兩線的差別。由于輸入的洪水條件完全相同，而曲線之間的差異在一定意義上可以認為主要是河道變化造成的。比較發(fā)現(xiàn)：各典型年中除1956、1957年模型推算曲線較1954年實際模擬線偏右外，其余各典型年明顯偏左。表明若重演1954年水位，進入60年代以后，螺山站水位流量關系變化總的趨勢是：泄流能力降低，其中以1996年水位32m流量減少7100m3/s為最大；同流量時水位抬高，當流量為50000m3/s時，1996年與1954年比較最大水位抬高量為0.80m，20000m3/s時水位抬高量最大可達2.0m左右。但19961999年與1983年比較，水位25m以下過流能力有所增大。4結(jié)論（1）螺山水位流量關系受河段和斷面沖淤、洪水漲落、回水頂托、河勢調(diào)整等多種因素的綜合影響，呈現(xiàn)復雜的多值關系。多年來水位流量關系處于不穩(wěn)定的變動之中。（2）多種分析方法綜合分析結(jié)果表明：下荊江系統(tǒng)裁彎后，螺山水位流量關系逐漸左移，同流量下水位逐漸抬高。根據(jù)綜合落差指數(shù)法單值化處理成果，按各個時期分析樣本年份的平均線比較，19941999年與裁彎前對比30000m3/s以下對應平均落差時水位抬高量在1.56m以上；3000040000m3/s水位抬高量為1.561.31m；4000050000m3/s水位抬高量為1.311.17m。（3）螺山斷面的泄流能力已發(fā)生顯著變化，19941999年與裁彎前比較，水位2533m按平均落差計算泄流能力減少55006130m3/s；水位20m泄流能力減少3360m3/s左右，但該水位級自1987年以后泄流能力較80年代初略有增加，中高水泄流能力維持繼續(xù)降低的趨勢。（4）90年代以