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【摘 要】流量是水文资料的一个重要项目,本文结合作者从事流量整编多年工作的经验,就如何确保水位流量关系线定线质量,提高流量整编精度,提出了自己的观点和方法。
【关键词】 流量整编;流量定线;提高精度
Decrease discharge whole plait the method of the error margin analysis
Liu Jin-liang
(Xingtai hydrology water resources survey bureau Xingtai Hebei 054000)
【Abstract】The discharge is an importance item of hydrology data, the this text knot cooperator be engaged in discharge whole plait several year work of experience, how insure water level discharge relation line settle line quality, exaltation the discharge be whole plait accuracy and put forward oneself of standpoint and method.
【Key words】Discharge whole plait;The discharge settle line;Exaltation accuracy
水文资料整编是对对原始的水文资料按科学方法和统一规格,分析、统计、审核、汇编、刊印或储存等工作的总称。水文测验是资料整编的基础,只有测验质量符合要求,加之可靠的整编成果,才能满足水文预报和水文计算的要求。通过水文资料整编,可以反映测验成果,发现测验中的问题。
在资料整编中,水位流量关系的定线尤为重要。定线是指按照整编需要,根据实测资料,确定两个水文要素间的关系曲线,作为用一个要素的资料去推算另一个要素的依据。例如,流量测验一般是间断地而不是连续地进行的。为了取得连续的流量资料,就要在整编时定出水位流量关系曲线,然后用连续观测的水位资料,通过水位流量关系曲线推算成连续的流量资料。
目前,水位流量关系定线多采用连时序法。该法在实测流量点子很多时适用性强,当实测点子较少时,采用此法则需要大量的分析工作,一则考虑实测点子精度高低,另一方面前后两点的距离过大,走线带有很大的任意性。结合自己从事十几年的水文资料整编地实践经验谈谈对水位流量关系线定线的分析。
1. 水位流量关系的概念和类型
所谓水位流量关系是指基本水尺断面的水位与该断面流量之间的关系,经常出现一下几种情况:
1.1 稳定的水位流量关系是指在较长时期内,某断面的实测流量与相应水位的点据呈密集带状分布,可用一条单一曲线来表示。
1.2 不稳定的水位流量关系是指因受一种或几种因素的影响,实测流量与相应水位的点据不能呈密集带状分布,难以用一条单一曲线表示,同一水位(或流量)具有多个流量(或水位)与之对应,这就是不稳定的水位流量关系。引起这种水位流量关系变动的因素有:(1)河床冲淤,使同水位的断面面积发生变化,影响流量,多沙河流冲淤严重,这种变化尤为剧烈;(2)洪水涨落,涨水与落水阶段,河道水面比降不同,流速不同导致同水位下流量不同,涨落急剧的河流,这种变化比较明显;(3)变动回水,在河流的中下游,河渠水位受支流汇合、闸门启闭、回水顶托等影响,使水面比降发生变化,引起水位流量关系的不稳定;(4)结冰、水生植物等也能导致断面面积和糙率等一些水力因素的变化而影响水位流量关系。
2. 水位流量的初步定线
以同一水位为纵坐标自左至右依次以流量、面积、流速为横坐标点绘于坐标纸上。选定适当比例尺使水位流量、水位面积、水位流速关系曲线分别与横坐标大致成45°、60°、60°的交角并使三条曲线互不相交。
2.1 流量变幅较大测次较多水位流量关系点子分布散乱的,可分期点绘关系图然后再综合绘制一张总图。
2.2 水位流量关系曲线下部读数误差超过2.5%的部分,另绘放大图流量很小时可适当放宽。
2.3 水位流量关系曲线应绘出上年末与下年初各3～5个测点以确保年头年尾流量的衔接。
3. 依据水位流量的初步定线初步判断各时期水位流量关系的类型
3.1 当水位流量关系点据呈单一趋势时,可判断为稳定的水位流量关系,此种情况在山区河流较多。现分析如下:
天然河道中的河流可近似地看作稳定不均匀流,其流速
V=1nR2/3Ie1/2≈1nR2/3I1/2
其中Ie为能面比降;I为水面比降。则断面流量
Q=F•V=F•1nR2/3I1/2F(G,,n,I)
从上式可以看出:流量Q是水位G、断面形状Ω、糙率n,比降I的函数。欲使水位流量关系线单一,只有下面两种情况:a、在同一水位下,Ω、n、I保持不变;b、在同一水位下Ω、n、I虽然有所变化,但它们对流量大小的影响恰好相互抵消。
很显然,第二种情况出现的可能性很小,也就是说,要使水位流量关系单一、稳定,则需测站不受洪水涨落影响(影响比降I),不受变动回水影响(影响比降I),不受冲淤影响(影响断面形状Ω),不受水草影响(影响糙率n)等等。否则水位流量关系不能稳定。
3.2 当实测点据呈逆时针绳套关系时,可初步判定为受洪水涨落影响。
因为 Q=KI=KI0+ΔI=KI01+ΔII0=Q01+1I0UΔGΔt
其中Q为受洪水涨落影响下的不稳定流量;QO为稳定时流量;ΔI为附加比降;IO为稳定时水面比降;ΔGΔt为涨率。
从上式中可以看出,(1)洪水上涨时,ΔI为正,Q>Qo;落水时ΔI为负,Q 为了进一步证实该时期测站受洪水涨落影响,应该分析该时期上游来水情况,以及水力因素极值的出现顺序是否依次为最大比降(最大涨率)、最大流速、最大流量、最高水位。在确定该时期受洪水涨落影响后,可选取校正因素法或抵偿河长法辅助定线。
3.3 若实测点据散乱,呈顺时针绳套、正8字、反8字等不规则形状趋势时,可考虑为受变动回水影响,或变动回水和洪水涨落综合影响。
变动回水影响主要来自下游水体水位的变化对测流断面流量的影响,其水位流量关系除与本站的水情有关外,还与下游水体的水情变化有关。因此,要了解该时期下游各支流、水体的水情变化情况,从而进一步证实该时期测站断面是否受下游水体的顶托作用。然后,可视资料情况,选取定落差法、等落差法、正常落差法辅助定线。
需要指出的是,虽然受变动回水影响与受洪水涨落影响的曲线,都是通过水面比降影响流速,从而影响流量的。但两者存在明显差异;洪水涨落影响下的G~Q关系按时序连成逆时针绳套,而变动回水无规则;变动回水与下游水位变化关系密切,而洪水涨落影响与下游水位关系不大;受洪水涨落影响主要分析洪水特性,常用涨落率反映比降的变化,而变动回水影响主要分析落差;受洪水涨落影响为渐变的不稳定流,而变动回水影响下的水流则为缓变的稳定流。
图1
3.4 受冲淤影响的水位流量关系主要从以下方面去分析:(1)根据水位面积关系的切线去分析;(2)用挾沙能力的概念去分析;(3)绘制平均河底高程线和同水位面积过程线去分析。若判定某时期水位流量关系受冲淤影响,则可选取临时曲线法,改正水位发等去分析辅助定线。
3.5 水位流量关系曲线的延长。
进行流量测验时,应尽量在最高、最低水位附近布置测次。但有时由于特殊原因,未能测得洪峰峰顶流量或最枯流量。这时,必须将水位流量关系曲线延长,以取得完整的流量变化过程。
3.5.1 对曲线延长的要求。
高水延长可影响全年最大流量数值,甚至影响规划设计时洪峰流量频率计算;低水水量虽小,但如延长不当,相对误差可能较大,且影响历时也较长。因此,对高低水延长均需慎重。一般情况,高水部分延长不应超过当年实测流量所占水位变幅的30%,低水部分延长不应超过10%。如超过此限度,最好能用两种方法延长作比较,使成果可靠,并在整编成果中予以说明。
3.5.2 延长方法的选用。
(1)高水延长的主要依据是实测大断面资料。在断面无严重冲淤变化时,一般可用水位面积、水位流速关系曲线法和水力学公式法等延长。若历年水位流量关系较稳定时,可参考邻近年份的曲线趋势延长。有历史洪水调查资料时,也可用作延长曲线的参考。如果断面变化剧烈,峰前峰后实测的断面高水时不能借用,则需借用上下游站的高水实测流量资料来延长。
(2)低水延长一般可用水位面积、水位流速关系曲线法,或以断流水位为控制点的延长方法。
3.5.3 根据水位面积、水位流速关系曲线作高低水延长。
河床比较稳定的测站,水位面积、水位流速关系点子常较集中,曲线趋向明显,可根据水位面积、水位流速关系曲线来延长水位流量关系曲线,延长高水曲线方法如下:
(1) 先根据最近实测的大断面资料,绘制水位面积关系曲线。
(2) 高水位的水位流速关系曲线通常趋近于直线,且与纵轴接近平行。根据这种特性,顺趋势延长实测的水位流速关系曲线。
(3) 将延长部分的各级水位的流速乘以相应面积即得流量,并定出延长的水位流量关系曲线。
3.5.4 参照历年水位流量关系曲线作高水延长。
如历年河床变化不十分剧烈,河底坡降无突出变化,基本水尺位置未迁移(或虽有移动,但距离很近,落差很小),则各年的水位流量关系曲线的高水部分常接近平行,可根据此特性进行高水延长。延长时,将历年的水位流量关系曲线绘在一起,然后根据历年曲线趋势,参考本年断面冲淤、比降和流速变化的情况,向上延长。
3.5.5 以断流水位为控制作低水延长。
(1)根据测站纵横断面资料确定断流水位:如测站下游有浅滩或石梁,则以其高程作为断流水位;如测站下游很长距离内河底平坦,则取基本水尺断面河底最低点高程作断流水位。这样求得的断流水位是比较可靠的。
(2)分析法:在没有条件采用前法确定断流水位时,如断面形状整齐,延长部分的水位变幅内河宽无变化,又无浅滩、分流等现象,则可采用此法。
4. 尽量减少日平均流量推求的误差
4.1 用日平均水位直接推求日平均流量的条件和方法。
当水位流量关系曲线较为平直,水位及其它有关水力因素在一日内变化平缓时,可根据日平均水位直接推求日平均流量。
4.2 用瞬时流量计算日平均流量的条件和方法。
当水位流量关系曲线曲率较大,水位及其它有关水力因素在一日内变化比较大,用面积包围法。
5. 流量的单站合理性检查
5.1 近10年水位流量关系曲线对照的方法。
将历年和本年水位流量、水位面积、水位流速三条关系曲线均绘于同一图上,并注明年份,流量变幅大的应点绘低水放大图,用以检查低水曲线。
5.2 检查内容宜包括。
5.2.1 高水控制较好、冲淤或回水影响不严重时,历年水位流量关系曲线高水部分的趋势应基本一致。
5.2.2 历年水位流量关系曲线低水部分的变化,应该是连续的,相邻年份年头年尾曲线应该衔接或接近一致。
5.2.3 水情相似年份的水位流量关系曲线其变动程度相似。
5.2.4 用相同方法处理的单值化曲线其趋势应是相似的,如发现曲线有异常情况应检查其原因。
5.3 流量与水位过程线对照。
5.3.1 对照图的绘制:将水位流量过程线绘在同一图上,必要时在流量过程线图上绘入各实测流量点子,在水位过程线图上绘各实测流量的相应水位点子。
5.3.2 检查内容宜包括。
除冲淤特别严重或受变动回水影响及其它特殊因素影响外,两种过程线的变化趋势应一致,峰形一般应相似,峰谷相应。
流量过程线上的实测点,不应呈明显系统偏离,水位过程线上的实测流量点应与过程线基本吻合。
6. 结语
影响水位流量关系的因素很多,在定线时,应加强理论分析,减少经验定线,避免因测验资料精度影响盲目跑点走线而造成错误。
[文章编号]1619-2737(2010)03-08-25
[作者简介]刘金良,男,1966年11月,河北省邢台县高级工、中专,1989年6月在邢台水文局野沟门水文站工作;1995年邢台水文局临城水库水文站工作,任站长;1996年邢台水文局坡底水文站工作,任站长;2003年晋升为高级工;2005年年邢台水文局柳林水文站工作,任站长至今,研究方向,水文测验与整编
【关键词】 流量整编;流量定线;提高精度
Decrease discharge whole plait the method of the error margin analysis
Liu Jin-liang
(Xingtai hydrology water resources survey bureau Xingtai Hebei 054000)
【Abstract】The discharge is an importance item of hydrology data, the this text knot cooperator be engaged in discharge whole plait several year work of experience, how insure water level discharge relation line settle line quality, exaltation the discharge be whole plait accuracy and put forward oneself of standpoint and method.
【Key words】Discharge whole plait;The discharge settle line;Exaltation accuracy
水文资料整编是对对原始的水文资料按科学方法和统一规格,分析、统计、审核、汇编、刊印或储存等工作的总称。水文测验是资料整编的基础,只有测验质量符合要求,加之可靠的整编成果,才能满足水文预报和水文计算的要求。通过水文资料整编,可以反映测验成果,发现测验中的问题。
在资料整编中,水位流量关系的定线尤为重要。定线是指按照整编需要,根据实测资料,确定两个水文要素间的关系曲线,作为用一个要素的资料去推算另一个要素的依据。例如,流量测验一般是间断地而不是连续地进行的。为了取得连续的流量资料,就要在整编时定出水位流量关系曲线,然后用连续观测的水位资料,通过水位流量关系曲线推算成连续的流量资料。
目前,水位流量关系定线多采用连时序法。该法在实测流量点子很多时适用性强,当实测点子较少时,采用此法则需要大量的分析工作,一则考虑实测点子精度高低,另一方面前后两点的距离过大,走线带有很大的任意性。结合自己从事十几年的水文资料整编地实践经验谈谈对水位流量关系线定线的分析。
1. 水位流量关系的概念和类型
所谓水位流量关系是指基本水尺断面的水位与该断面流量之间的关系,经常出现一下几种情况:
1.1 稳定的水位流量关系是指在较长时期内,某断面的实测流量与相应水位的点据呈密集带状分布,可用一条单一曲线来表示。
1.2 不稳定的水位流量关系是指因受一种或几种因素的影响,实测流量与相应水位的点据不能呈密集带状分布,难以用一条单一曲线表示,同一水位(或流量)具有多个流量(或水位)与之对应,这就是不稳定的水位流量关系。引起这种水位流量关系变动的因素有:(1)河床冲淤,使同水位的断面面积发生变化,影响流量,多沙河流冲淤严重,这种变化尤为剧烈;(2)洪水涨落,涨水与落水阶段,河道水面比降不同,流速不同导致同水位下流量不同,涨落急剧的河流,这种变化比较明显;(3)变动回水,在河流的中下游,河渠水位受支流汇合、闸门启闭、回水顶托等影响,使水面比降发生变化,引起水位流量关系的不稳定;(4)结冰、水生植物等也能导致断面面积和糙率等一些水力因素的变化而影响水位流量关系。
2. 水位流量的初步定线
以同一水位为纵坐标自左至右依次以流量、面积、流速为横坐标点绘于坐标纸上。选定适当比例尺使水位流量、水位面积、水位流速关系曲线分别与横坐标大致成45°、60°、60°的交角并使三条曲线互不相交。
2.1 流量变幅较大测次较多水位流量关系点子分布散乱的,可分期点绘关系图然后再综合绘制一张总图。
2.2 水位流量关系曲线下部读数误差超过2.5%的部分,另绘放大图流量很小时可适当放宽。
2.3 水位流量关系曲线应绘出上年末与下年初各3～5个测点以确保年头年尾流量的衔接。
3. 依据水位流量的初步定线初步判断各时期水位流量关系的类型
3.1 当水位流量关系点据呈单一趋势时,可判断为稳定的水位流量关系,此种情况在山区河流较多。现分析如下:
天然河道中的河流可近似地看作稳定不均匀流,其流速
V=1nR2/3Ie1/2≈1nR2/3I1/2
其中Ie为能面比降;I为水面比降。则断面流量
Q=F•V=F•1nR2/3I1/2F(G,,n,I)
从上式可以看出:流量Q是水位G、断面形状Ω、糙率n,比降I的函数。欲使水位流量关系线单一,只有下面两种情况:a、在同一水位下,Ω、n、I保持不变;b、在同一水位下Ω、n、I虽然有所变化,但它们对流量大小的影响恰好相互抵消。
很显然,第二种情况出现的可能性很小,也就是说,要使水位流量关系单一、稳定,则需测站不受洪水涨落影响(影响比降I),不受变动回水影响(影响比降I),不受冲淤影响(影响断面形状Ω),不受水草影响(影响糙率n)等等。否则水位流量关系不能稳定。
3.2 当实测点据呈逆时针绳套关系时,可初步判定为受洪水涨落影响。
因为 Q=KI=KI0+ΔI=KI01+ΔII0=Q01+1I0UΔGΔt
其中Q为受洪水涨落影响下的不稳定流量;QO为稳定时流量;ΔI为附加比降;IO为稳定时水面比降;ΔGΔt为涨率。
从上式中可以看出,(1)洪水上涨时,ΔI为正,Q>Qo;落水时ΔI为负,Q
3.3 若实测点据散乱,呈顺时针绳套、正8字、反8字等不规则形状趋势时,可考虑为受变动回水影响,或变动回水和洪水涨落综合影响。
变动回水影响主要来自下游水体水位的变化对测流断面流量的影响,其水位流量关系除与本站的水情有关外,还与下游水体的水情变化有关。因此,要了解该时期下游各支流、水体的水情变化情况,从而进一步证实该时期测站断面是否受下游水体的顶托作用。然后,可视资料情况,选取定落差法、等落差法、正常落差法辅助定线。
需要指出的是,虽然受变动回水影响与受洪水涨落影响的曲线,都是通过水面比降影响流速,从而影响流量的。但两者存在明显差异;洪水涨落影响下的G~Q关系按时序连成逆时针绳套,而变动回水无规则;变动回水与下游水位变化关系密切,而洪水涨落影响与下游水位关系不大;受洪水涨落影响主要分析洪水特性,常用涨落率反映比降的变化,而变动回水影响主要分析落差;受洪水涨落影响为渐变的不稳定流,而变动回水影响下的水流则为缓变的稳定流。
图1
3.4 受冲淤影响的水位流量关系主要从以下方面去分析:(1)根据水位面积关系的切线去分析;(2)用挾沙能力的概念去分析;(3)绘制平均河底高程线和同水位面积过程线去分析。若判定某时期水位流量关系受冲淤影响,则可选取临时曲线法,改正水位发等去分析辅助定线。
3.5 水位流量关系曲线的延长。
进行流量测验时,应尽量在最高、最低水位附近布置测次。但有时由于特殊原因,未能测得洪峰峰顶流量或最枯流量。这时,必须将水位流量关系曲线延长,以取得完整的流量变化过程。
3.5.1 对曲线延长的要求。
高水延长可影响全年最大流量数值,甚至影响规划设计时洪峰流量频率计算;低水水量虽小,但如延长不当,相对误差可能较大,且影响历时也较长。因此,对高低水延长均需慎重。一般情况,高水部分延长不应超过当年实测流量所占水位变幅的30%,低水部分延长不应超过10%。如超过此限度,最好能用两种方法延长作比较,使成果可靠,并在整编成果中予以说明。
3.5.2 延长方法的选用。
(1)高水延长的主要依据是实测大断面资料。在断面无严重冲淤变化时,一般可用水位面积、水位流速关系曲线法和水力学公式法等延长。若历年水位流量关系较稳定时,可参考邻近年份的曲线趋势延长。有历史洪水调查资料时,也可用作延长曲线的参考。如果断面变化剧烈,峰前峰后实测的断面高水时不能借用,则需借用上下游站的高水实测流量资料来延长。
(2)低水延长一般可用水位面积、水位流速关系曲线法,或以断流水位为控制点的延长方法。
3.5.3 根据水位面积、水位流速关系曲线作高低水延长。
河床比较稳定的测站,水位面积、水位流速关系点子常较集中,曲线趋向明显,可根据水位面积、水位流速关系曲线来延长水位流量关系曲线,延长高水曲线方法如下:
(1) 先根据最近实测的大断面资料,绘制水位面积关系曲线。
(2) 高水位的水位流速关系曲线通常趋近于直线,且与纵轴接近平行。根据这种特性,顺趋势延长实测的水位流速关系曲线。
(3) 将延长部分的各级水位的流速乘以相应面积即得流量,并定出延长的水位流量关系曲线。
3.5.4 参照历年水位流量关系曲线作高水延长。
如历年河床变化不十分剧烈,河底坡降无突出变化,基本水尺位置未迁移(或虽有移动,但距离很近,落差很小),则各年的水位流量关系曲线的高水部分常接近平行,可根据此特性进行高水延长。延长时,将历年的水位流量关系曲线绘在一起,然后根据历年曲线趋势,参考本年断面冲淤、比降和流速变化的情况,向上延长。
3.5.5 以断流水位为控制作低水延长。
(1)根据测站纵横断面资料确定断流水位:如测站下游有浅滩或石梁,则以其高程作为断流水位;如测站下游很长距离内河底平坦,则取基本水尺断面河底最低点高程作断流水位。这样求得的断流水位是比较可靠的。
(2)分析法:在没有条件采用前法确定断流水位时,如断面形状整齐,延长部分的水位变幅内河宽无变化,又无浅滩、分流等现象,则可采用此法。
4. 尽量减少日平均流量推求的误差
4.1 用日平均水位直接推求日平均流量的条件和方法。
当水位流量关系曲线较为平直,水位及其它有关水力因素在一日内变化平缓时,可根据日平均水位直接推求日平均流量。
4.2 用瞬时流量计算日平均流量的条件和方法。
当水位流量关系曲线曲率较大,水位及其它有关水力因素在一日内变化比较大,用面积包围法。
5. 流量的单站合理性检查
5.1 近10年水位流量关系曲线对照的方法。
将历年和本年水位流量、水位面积、水位流速三条关系曲线均绘于同一图上,并注明年份,流量变幅大的应点绘低水放大图,用以检查低水曲线。
5.2 检查内容宜包括。
5.2.1 高水控制较好、冲淤或回水影响不严重时,历年水位流量关系曲线高水部分的趋势应基本一致。
5.2.2 历年水位流量关系曲线低水部分的变化,应该是连续的,相邻年份年头年尾曲线应该衔接或接近一致。
5.2.3 水情相似年份的水位流量关系曲线其变动程度相似。
5.2.4 用相同方法处理的单值化曲线其趋势应是相似的,如发现曲线有异常情况应检查其原因。
5.3 流量与水位过程线对照。
5.3.1 对照图的绘制:将水位流量过程线绘在同一图上,必要时在流量过程线图上绘入各实测流量点子,在水位过程线图上绘各实测流量的相应水位点子。
5.3.2 检查内容宜包括。
除冲淤特别严重或受变动回水影响及其它特殊因素影响外,两种过程线的变化趋势应一致,峰形一般应相似,峰谷相应。
流量过程线上的实测点,不应呈明显系统偏离,水位过程线上的实测流量点应与过程线基本吻合。
6. 结语
影响水位流量关系的因素很多,在定线时,应加强理论分析,减少经验定线,避免因测验资料精度影响盲目跑点走线而造成错误。
[文章编号]1619-2737(2010)03-08-25
[作者简介]刘金良,男,1966年11月,河北省邢台县高级工、中专,1989年6月在邢台水文局野沟门水文站工作;1995年邢台水文局临城水库水文站工作,任站长;1996年邢台水文局坡底水文站工作,任站长;2003年晋升为高级工;2005年年邢台水文局柳林水文站工作,任站长至今,研究方向,水文测验与整编