水位流量关系计算公式 北河站中高水水位~流量关系单值化分析探讨



    1 概述

  北河水文站2003年1月设立,为汉江支流北河的水文基本控制站,是国家重要水文要和中央报汛站,集水面积1160km2。测验河段较顺直,河床为沙、卵石组成,断面较稳定。基本水尺断面上游42m处有一座公路桥,下游500m处有一急弯,对该站有良好的控制作用。该站洪水主要受上游暴雨的影响,上游潭口电站开闸泻洪形成,水位流量关系呈多条临时单一曲线。

  Q~关系曲线法适用于河道窄深、断面稳定、高水糙率和比降变化不大的水文站水位~流量关系高水延长。本文试用该关系对北河站近6年中高水实测流量资料进行水位~流量关系单值化处理分析,对于开展站队结合、减少测验工作量、降低生产成本、实现水文巡测具有重要意义。

  2 Q~关系曲线法基本原理

  由水利学谢才公式可知:

  式中:Q—流量;C—谢才系数;A—断面面积:R—水力半径,用平均水深代替;S—水面比降。

  在中高水部分,近似为一常数K,天然河道一般可用代替水力半径R,即R≈,故上式可写成:

  从以上关系式可知在同一水位下, 流量Q与成正比关系。河床冲刷时,增大,流量相应增大;河床淤积时,减小,流量也相应减小;河床稳定时,不变,流量也相应不变。

  3 Q~关系曲线法在北河站的应用

  北河站断面河道顺直、窄深、河床由沙、卵石组成,坡地平坦,断面稳定、高水糙率和比降变化不大,符合水位~流量关系的基本条件。通过2005-2010年的中高水流量资料分析,Q~关系曲线法点呈带状,能定单一曲线,若关系线误差能达到规范要求,实际生产中可用该单值关系来推流。

  3.1建立Q~关系曲线

  根据2005-2010年实测流量成果表,编制Q~关系计算表,根据计算成果,点绘Q~关系曲线图。

  图1 北河站历年中高水Q~关系曲线图

  历年中高水Q~关系曲线图,得出历年Q~关系为:

  令y=Q,X=

  y=0.000000000595x4-0.000002215287x3+0.002811287053x2-0.610306592624x-3.320273042521        (式1)

  3.2建立单值化后的水位~流量关系线

  根据实测资料相应水位,采用式1,计算出不同水位下的单值化流量,建立水位~流量关系线。

  图2 单值化后的水位~流量关系线

  3.3点绘Z~关系曲线图

  点绘Z~关系曲线图,其中Z为水位,可以了解测验断面冲淤变化趋势,见图3。

  图3 历年中高水Z~关系图

  2005-2010年, Z~关系明显变小并趋于稳定,该时期水位流量关系相对稳定。水位在86.00~88.00m即中水位到高水位之间的相同水位下,减小,流量也相应减小。

  3.4测流断面变化分析

  

  2005年“08.15”洪水过后~2010年断面逐年开始变化缓慢,每年第一河洪水后,断面局部虽有冲有淤,但总体冲淤变化不显著。Z~关系明显变小并趋于稳定,该时期水位流量关系相对稳定。2005年“08.15”洪水过后,测验断面右岸有局部冲刷现象,表现在起点距18.0m~40.0m处河床受洪水冲刷河床下切;主河槽在起点距5.0~182m处,采用水文缆道实测流量;当水位遇高水88.90以上时,断面出现漫滩,漫滩部分历年变化比较小,对水位流量关系影响不大。

  4 单值化误差分析

  定线误差分析,中高水系统误差均符合二、三类精度的水文站不大于2%的满足于《水文巡测规范》第4.3.1条的巡测规定;中高水随机不确定度均不符合二、三类精度的水文站不大于11%~14%的满足于《水文巡测规范》第4.3.2条的巡测规定。单值化流量与实测流量相对误差较大,主要集中在中水水位级,相对误差大于14%的点子站全部实测点的33%。

  5.影响中高水水位~流量关系因素分析

  5.1上游水电站的影响

  北河站洪水主要受上游暴雨的影响,上游潭口电站开闸泻洪形成,电站发电机组属于河床式发电机,断面过水流量绝大部分时间受发电控制,水流波动大且不稳定,突升突降,变化频繁。洪水期,断面流量受到溢洪闸控制,溢洪闸全开启后,水流集中排出。

  2.2断面受上下游人类活动的影响?????测流断面上游16m处有一座新店大桥,主河槽中布设有4个桥墩。主泓基本居中,由于受桥墩影响,流速横向分布与断面形状不相应,但流速横向分布曲线形状相应各水位级基本稳定,中、高水时右岸有逆流产生。下游由于生产生活和工业废水排放因素影响,导致河道水草大量生长,加上人工种植树木、经济作物生长等因素影响,测流断面下游过水断面糙率发生变化,糙率变大,对中低水水位流量影响较大。

  2.3受断面冲淤和涨落水影响

  分析2005-2010年大洪水过后实测水位流量关系均偏小分析发现,而本测流断面冲淤变化不大,面积变化不大,断面平均流速均偏小,说明下游断面有淤积现象变化影响;洪水波产生附加比降,涨水点偏右,落水点偏左,峰、谷点居中间。

  6 结论

  (1)北河站2005年5月开始在基上26m处流速仪测流断面采用水文缆道测流以来,受上游潭口电站发电以及来水来沙影响、公路桥等人工活动影响,测验河段不断变化,中高水水位流量关系较散乱,历年流量测验点子呈带状分布,自左右偏移不定,目前测验河段和测流断面尚未完全稳定。目前该站尚不具备流量单值化分析的条件,应待测验河段运行稳定后再进行流量单值化分析。

 水位流量关系计算公式 北河站中高水水位~流量关系单值化分析探讨
  (2)从定线的角度来看,中高水单值化水位~流量关系线随机不确定度都超出规范的要求;中高水单值化流量与实测流量相对误差较大;从水量的角度来看,中高水单值化水位~流量关系线能够满足规范的要求。中高水历年综合线或当年单一线可以供我们今后分析参考。

  (3)近期流量测验测次布置:根据水位与流量变化情况布置测次,以能满足水位流量关系整编定线、准确推算逐日流量和各种特征值;潭口电站正常发电期间,断面稳定,按照单一线布点;在中高水水位在相邻或相近水位级,断面流速和断面面积变化较小,水位流量关系相对稳定时,可适当减少测次;当水流情况发生明显变化,水位流量关系发生改变时,应实时增加测次。

  参考文献

  [1]长江水利委员会主编.水文资料整编规范.SL247—1999,中国水利水电出版社.2000

  [2]张留柱,赵志贡,张法中 等编著.水文测验学.郑州:黄河水利出版社.2003.03  

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