長江中游散亂水位流量關系單值化處理方法研究

1、長江中游散亂水位流量關系單值化處理方法研究摘要：本研究在重點分析荊江洞庭湖防洪重要水文站監(jiān)利、城陵磯(七里山)、螺山、武漢關水位流量長系列實測資料的根底上，初步建立了考慮河段水面比降因子模擬水位流量的單一關系形式：即J=J0+JQ。該式待定系數(shù)意義明確，簡便易求，并可借此對河道水流特性進展深化分析，利用該方法所求結果與實測值完全吻合。關鍵詞：長江水位單值化1問題的提出長江荊江河段水位流量關系變化既受荊江裁彎河床演變、洞庭湖分流入?yún)R變化、上游葛洲壩興建，又將受將來三峽水庫建庫的影響，變得非常復雜。荊江包括洞庭湖區(qū)行洪水道，是長江中游防洪最嚴峻的河段，水位流量的變化，尤其是城陵磯(洞庭湖出湖七里山

2、站)、監(jiān)利水位流量關系是荊江與洞庭湖防洪研究的重要特征參數(shù)。近來研究水位流量關系特性采用的方法主要有：(1)綜合落差指數(shù)法：對城陵磯七里山站流量進展單值化處理，公式形式為Q=Q/H=f(H)(1)H=1H1+2H2+3H3(2)式中Q為實測流量，H為七里山站水位，H1、H2、H3分別為湖區(qū)鹿角至七里山、七里山至上游監(jiān)利、七里山至下游螺山的落差，1、2、3為相應的間隔 (k)，為待定指數(shù)。選取典型年作各大時段單一水位流量關系。(2)冪函數(shù)擬合法：根據(jù)裁彎前后的一局部水文資料，分別建立在某一頂托流量下七里山站、監(jiān)利站水位流量關系，采用冪函數(shù)擬合，公式形式為Z=Q(3)研究者認為，上述方法一般相關關

3、系較好，除個別點外，相關系數(shù)可到達0.9以上。本文研究對相應河段乃至下游螺山站、武漢關站水位流量關系進展了深化分析，提出關系形式成果，將克制上述兩個方法缺乏。并(1)為僅需一站水位資料。(2)變分級流量關系式為統(tǒng)一的關系式。2分析方法及根本關系式確定2.1水位隨流量變化特性點繪監(jiān)利站1980年至1987年逐日水文關系，如圖1所示。由圖可知，監(jiān)利同流量下水位變幅最大可達45,這種散亂關系，是受下游洞庭湖出流影響的結果，同流量條件下，下游水位高，該站水位就高，反之亦然。既使在關系點相對集中的流量范圍，如150003/s流量以下，流量由40003/s增加到130003/s時，水位相應由21.2抬高至

4、27.8，變化幅度達6.6。這種變化的主要因素也是下游水位抬高引起的。下游水位變化小時，流量的變化引起上游水位抬高的變化要小的多，以下游螺山水位2021為例，流量變化在39603/s至129003/s，監(jiān)利水位由23.4增至25.8，變化僅2.4。如將下游螺山站的水位按大小劃分假設干組，那么可知每一組的監(jiān)利Q、H均存在著圖2所示特性。圖11980至1987年監(jiān)利站逐日水位流量關系RelatinbeteenaterlevelanddishargeatJianlistatinfr1980t1987圖2監(jiān)利站水位流量關系(H螺山=2021)Relatinbeteenaterlevelanddisha

5、rgeatJianlistatin(Hlushan=2021)分析認為，監(jiān)利的水位由以下兩局部組成，一是圖2中的點延長線至Q=0的交點，記為H0；二是因流量的變化引起的水位變化，記為HQ，即H上=HQ+H0(4)2.2HQ、H0確實定將監(jiān)利站統(tǒng)計年份逐日流量與監(jiān)利至螺山水面比降關系點繪在圖3中，點群是很散亂的，同樣采取下游水位分組方法，如H下=2021組點，見圖4“+點所示。H下=2728組的點也一并點繪于圖4中，用“*點表示。圖3監(jiān)利流量與監(jiān)利至螺山水面比降關系RelatinbeteendishargeatJianlistatinandatersurfaeslpeinreahfrJianli

6、tLushan圖4不同螺山水位監(jiān)利流量與水面比降關系RelatinbeteendishargeandatersurfaeslpeatJianlistatinunderdifferentaterlevelsatLushanstatinJ=JQ+J0(5)比照(4)式可知，監(jiān)利水位HQ、H0分別可表示為JQL、J0L+H下(L為兩站間距，H下為下站水位)。即有H上=JQL+J0L+H下(6)2.3經(jīng)歷擬合JQ=(H下)Q(7)分析數(shù)站實測水文資料，研究后發(fā)現(xiàn)(H下)、J表達式分別為(H下)=10aH下b+(8)J0=d+eH下(9)將(8)、(9)式代入(5)、(6)式中，即為本文建立的水位流量關

7、系根本表達式H=(10aH下b+)QL+(d+eH下)L+H下(10)或J=(10aH下b+)Q+(d+eH下)(11)3實例計算3.1系數(shù)確定水文資料按監(jiān)利19801987年下游螺山站水位大小分組，計算用兩次最小二乘法，分別對每組數(shù)據(jù)點擬合求J、(H下)，結果點繪于圖5及圖6中。圖5螺山水位與監(jiān)利J關系RelatinbeteenaterlevelatLushanandJ0atJianlistatin圖6螺山水位與監(jiān)利(H下)關系RelatinbeteenaterlevelatLushanand(H下)atJianlistatin表1系數(shù)取值(19801987)Valuesfeffiient(

8、19801987)站名監(jiān)利(螺山)七里山(螺山)螺山(龍口)武漢關(黃石)a4.223.76344.6267-0.85460a2-5.333-5.2259-6.1998-1.9122a30.0003080.0000433040.00021897-0.000026073a4-0.00061278-0.00071889-0.000621140.00055556a50.0316780.0496500.0286960.00066673.2驗算結果將統(tǒng)計年份的點計算比照結果點繪于圖7(a、b、d)中，可見，計算與實測點完全吻合。綜上分析，得出以下認識，(1)無論水文站流量水位點分散或單一，該站水位上下主

9、要受下游站水位變化的影響；(2)利用上述(10)式關系，當本站流量、水位、下站水位三個參數(shù)中的任意兩個，均可計圖7實測水位與計算值比照parisnfbservedandputedstages圖8監(jiān)利站實測流量與計算值比照parisnfbservedandputeddishargeatJianlistatin算出第三個參數(shù)值。仍以監(jiān)利站為例，由監(jiān)利站水位及下游水位計算得到監(jiān)利流量,并與實測流量比照，點繪于圖8中，點子落在45線上；(3)天然河道均勻流概念很難定義，而由均勻流根本公式J=Q2n2/A2R4/3;仍看不出公式中各參數(shù)之間的因果關系。實際上，Q、n、J均是獨立量。假如邊壁條件不一樣，水

10、深或水位變化將引起n值的變化，反映河道沿程阻力特性，可認為流量變化僅引起水深(水位)變化，但對n值不應有所影響。本文推薦的水位流量公式中包括與流量無關的比降項，即J0(=d+eh)。天然河道中均勻流時，Q、n值無法確定，仍有待今后研究，但該項可以詳細計算，確實對該問題的解決大大前進一步，這方面研究有待進一步深化。轉貼于論文聯(lián)盟.ll.4監(jiān)利水位年代變化分析建立了上述水位流量關系式，即可很方便地比照分析不同年代各種水文組合條件下的變化特點。4.1水文頻率分析受實測資料所限，與80年代相比照時段選為19541959年系列，對監(jiān)利站水位流量及下游螺山站水位進展頻率分析，結果列于表2。由表中數(shù)據(jù)可看出

11、，50年代與80年代相比，同頻率監(jiān)利流量增大，水位反而有所下降。其原因之一是螺山水位同頻率水位也是在下降的。4.2監(jiān)利流量同頻率條件水位變化對于表2中監(jiān)利各頻率流量在不同下游水位條件下用水位流量關系計算出本站水位變化，如圖9(a,b),圖10(a,b)所示，由圖可知：(1)不同年代出現(xiàn)最大流量時，下游同水位條件下80年代水位具有高于50年代水位的趨勢，但實際上因下游螺山水位在80年代低于50年代水位，因此監(jiān)利水位在80年代低于50年代。表2監(jiān)利流量水位、螺山水位頻率分析比照AnalysesffrequenyfdishargeandaterlevelatJianliandtheaterlevel

12、atLushan站年代頻率ax1%5%10%50%in監(jiān)利19801987Q3520029400232001880078103140H34.733.8932.3131.2625.8722.0819541959Q4570037900292002600090803150H34.5133.3631.9531.2026.0021.16螺山1980198731.3231.2728.8427.9021.2813.991954195930.9829.8128.1027.3121.8915.32圖9監(jiān)利站80年代與50年代水位變化趨勢TendenyfstagesatJianlistatinin80sand50

13、s圖100.10頻率流量下監(jiān)利站水位變化趨勢與實測值比照parisnfputedandbservedstagesatJianlistatinataflfrequenyf0.10(2)其它頻率時，監(jiān)利水位變化參見圖9(b)及圖10(a，b)。由圖10(a,b)可知，將實測點繪在圖上，說明計算趨勢與實測點相符，鑒于此可以說明計算關系式(10)是可靠的，圖中所示的變化趨勢也同樣可靠。5流量水位變化趨勢特性分析在下游水位不變時，流量變化將引起本站水位(或比降)變化，流量變幅與本站水位(河段比降)變幅關系怎樣，即流量增加10%，本站水位相應抬高多少，河段比降變化多少，如能知道，將不僅可以對河道特性進展深

14、化認識，而且可以直接而簡便地知道流量變化引起本站的水位變化。這個問題解決同樣可以利用前述關系式求得。(12)(13)代入關系式(11)中有(14)即J=Q1-1/J(d+eh下)(15)其中、分別為平均流量及河段平均比降，且兩者同樣具有(11)式關系；Q、J分別為流量及河段比降變幅；Q、J分別為流量及河段比降變幅百分數(shù)。該式反映流量變幅百分數(shù)與比降變幅百分數(shù)關系。將80年代監(jiān)利站H下=2324,實測點子與用上式計算結果比照，發(fā)現(xiàn)變化關系根本吻合。即可知在此下游水位條件下，流量增加，比降相應增大，當流量增加80%時(平均流量97103/s，上游相應平均水位H=27.49),比降增加26%，流量增加20%，比降增加7%左右。即流量增加80%，從97103/s增至175003/s時，水位由27.49增至28.54(+1.05);流量增加20%，從97103/s增至117003/s，水位將由27.49增至27.78(+0.28)。同樣可對50年代進展分析，或?qū)⑵渌具M展相應的分析。6幾點推薦建議1.本研究所建立的關系式(10)所應用的資料，均建立在百公里左右的上下