水位—流量关系的定线方法与技巧

1水位—流量关系的定线方法与技巧河道流量资料整编工作主要包括以下内容：1.编制实测流量成果表和实测大断面成果表；2.绘制水位流量、水位面积、水位流速关系曲线；3.水位流量关系曲线分析和检验；4.数据整理；5.整编逐日平均流量表及洪水水文要素摘录表；6.绘制逐时或逐日平均流量过程线；7.单站合理性检查；8.编制河道流量资料整编说明书。流量资料整编工作主要包括以上内容，这也是在没有实现水位—流量关系应用软件定线前，进行流量资料整编必须要做好的主要环节。并且这些环节在进行过程中是相互关联，交叉进行的。在应用南方片整汇编软件进行资料整编后，绘制水位流量、水位面积、水位流速关系曲线、水位流量关系曲线分析和检验、数据整理都有程序完成。经转换和入库，就可自动完成流量资料整编的数据加工、数据输入、整编计算、合理性检查和成果输出等众多环节。所以说，南方片整汇编软件的应用是水文资料整编工作的一次质的飞跃。流量资料整编工作的主要有以上8个步骤。在这里要强调一下，在进行流量资料整编前：1、要认真学习该站的《水文测验任务书》，熟悉了解该站的测站特性、测验方法及高、中、低水位级的划分标准。22、了解当年的水情及洪水过程，了解是否发生特殊水情，了解是否有特殊的测验要求。3、在了解的基础上，作为负责初制的人，一定要认真审查单次流量资料，在确定单次流量资料准确无误的前提下，再开展工作，这样才能保证实测流量成果表和实测大断面成果表正确，确保定线的正确性。在编制完实测流量成果表和实测大断面成果表后，就可以要着手进行水位流量、水位面积、水位流速关系曲线的绘制、定线工作。在讲这个内容之前，先谈谈水位流量关系，受我所接触的限制，在这里我主要讲天然河道的水位流量关系。天然河道的水位流量关系总的来讲可分为两种，即稳定和不稳定。稳定的又分为两种，一种是：测站控制和河槽控制较好的稳定的水位流量关系。即同一水位只有一个流量。其关系是单一曲线，并能满足曼宁公式：21321SRnVAVQ式中：Q——流量sm/3A——断面面积2mV——断面平均流速sm/n——河床糙率无量纲R——水力半径mS——水面比降3这一类型的水位流量关系的特征主要表现为：测站控制较好，影响水位流量关系的因素随水位变化，保持稳定。水位流量关系呈单一曲线，或者是影响水位流量关系的因素随水位的变化而改变，但影响因素如面积、平均流速能相互补偿，使得水位流量关系呈单一线。这是水文测站在查勘设站阶段的首选目标之一。但要选择此类测站位置受到的影响因素是非常多的，在这里就不多讲了。需要说明的是此类水位流量关系一般会发生在断面稳定的山溪性河流中。如中游局的白霓桥站、毛家桥站、还有上游局的原奉节站等。二种是：本来不是稳定的水位流量关系，但经过单值化处理，引入水力因素这一变量，经过分析、论证使水位流量关系呈单一线。在整编规范中对这一类型的整编方法有详细的说明，如改正水位法、落差指数法、定落差法、校正因素法、抵偿河长法等等，需要说明的是这一类单一关系必须经过单值化处理，如中游局的安乡、大湖口、石龟山、杨堤、沙头等。水文局开展水文测验方式方法创新以来，各勘测局积极响应，加强基础资料的分析，积极开展单值化的分析和论证。自2009年起，又相继有许多测站经分析、论证并上报水文局技术处批准，实现了单值化。开创水文测验方式方法创新的新局面。如长江干流上的螺山、汉口、沙市等站实现了单值化，实现单值化后能大量减少流量测次，减轻职工的劳动强度，优化测验方式方法。二．不稳定的水位流量关系不稳定的水位流量关系的影响因素较多，随其受主要影响因素不同，水位流量关系中测点分布也不相同。41、受冲淤影响的水位流量关系。由于同水位的面积增大或减小，是水位流量关系受到断面冲淤变化的影响。2、受变动回水影响的水位流量关系。由于受下游回水顶托影响，水位提高，比降减小，与不受回水顶托影响，同水位下的流量偏小。3、受洪水涨落影响的水位流量关系。受洪水涨落影响时，由于洪水波产生附加比降的影响，使洪水过程的流速与同水位下稳定流时的流速相比，涨水时流速增大，流量也增大；落水时则相反。而涨水点偏右，落水点偏左，峰、谷点居中间。也就是我们常说的水位流量关系呈逆时针绳套曲线。4、受水生植物影响的水位流量关系。在水生植物生长期，过水面积减小，糙率增大，水位流量关系点子逐渐左移；在水生植物衰枯期，影响减小或消失，水位流量关系点子逐渐右移。5、受结冰影响的水位流量关系。水位流量关系的点子分布，总体趋势是偏向畅流期水位流量关系曲线的左边，即同水位流量测点偏小。6、受混合因素影响的水位流量关系。在混合因素的影响下，随着起主导作用的某种因素的变化，其水位流量关系点子也随之变化。综合起来，长江流域不稳定的水位流量关系主要以这6种形式表现出来，在这里需要说明的是，影响水位流量关系的因素较多，不同的测站，测站控制条件不同，在不同的年份、不同的时期、不同的来5水、来沙条件下各种影响因素的强弱、大小也不同，并且，往往是不同的影响因素交叉且相互影响的，因此，我们在分析不稳定的水位流量关系的测点分布时，一定要对影响因素综合分析，找出起主导作用的影响因素，合理定线，必要时作相应的分析和补充说明。水位流量关系的定线流量资料整编的重要环节之一，定线的合理性、准确性将直接影响流量资料整编的成果质量，从一定程度上也反映整编人员的工作质量和业务素质，因此，各级资料的整汇编单位都非常重视，其重要性在这里我就不多讲，只作这一点说明就是。水位—流量关系定线推流的方法：一．单一线单一曲线法推流，应结合测站特性，应用插值法或通过选用恰当的数学模型来拟合曲线，用水位推算流量。一般有三种数学模型：a.指数方程neCZQ或eZnCQlnlnln式中Q——流量sm/3；eZ——水位与一常数之差m；C、n——常数；b.对数函数方程mmxbxbxbbY2210QYln6式中mbbbb,,,210——系数。c.多项式方程memZaZaZaaQ222110式中maaaa,,,210——系数。应用计算机进行资料整编后，一般都推荐使用多项式方程。以前都是以流率表的形式反映各水位的对应流量值，也就是说单一曲线法推流时一定要提供流率表。经单值化处理后的单一曲线法推流，现在一般也是采用多项式方程或流率表的形式，来反映水位流量的单一关系。只是引入校正流量因素，间接地反映水位流量关系单一。单一水位流量关系的定线基本原则和要求：1.全年实测流量测点应能控制当年水位变幅约75%，即高水延长不能大于20%，低水延长不能大于5%。（评分标准中有相应条款）2.流量年头年末衔接，应绘制上年末和下年初各1—3个测点。其接头误差，一类精度站不应大于±3%，其它站不应大于±5%。(单值化处理的站可放宽至±5%)，巡测或三类流量站可放宽至±8%。两种方法推流，接线接头误差不应大于±3%。3.关系曲线应通过点群中心，连续光滑，过渡自然，不允许出现反曲现象。4.对水位流量关系点子分布中比较突出的反常测点，应进行认真分ZXln7析，找出原因。若由水力因素变化所致，应作可靠资料使用，若属于测验或计算方面的错误，则应予以改正，无法改正的，可以舍弃，但需作相应说明。5.应用单一曲线定线推流的测站，其测次分布应按全年水位变幅，合理分布测次，且涨落水面测次分布应大致均匀，相邻测点间距应不大于当年水位变幅20%（年水位变小于5m或暴涨暴落河流不应大于30%）。单一曲线的精度指标一定要满足规范所列的精度指标的要求。稳定的水位流量关系曲线，临时曲线法等主要曲线及经单值化处理的单一线，均应进行标准差和随机不确定度的计算和检查。（整编规范2.3.1）标准差计算公式：212)ln(ln21ciieQQns或212)(21ciciieQQQns式中es——实测点标准差；iQ——第i次实测流量（作为单值化处理的单一线中第i次校正流量或校正流量因素），sm/3；ciQ——第i次实测流量iQ相应的曲线上的流量（或作为单值化处理的单一线中第i次校正流量或校正流量因素相应曲线上的校正流量或校正流量因素），sm/3；8n——测点总数。随机不确定度计算公式：eQsX2式中QX——置信水平为95%的随机不确定度。实测关系点据与关系线无明显系统偏离时，系统误差可采用测点（或校正点）对关系线相对误差的均值。采用单一曲线法或水力因素法定线时，流速仪法测流定线精度应满足下表规定。水位流量关系定线精度指标表站类定线方法定线精度指标系统误差（±%）随机不确定度（±%）一类精度的水文站单一曲线法18水力因素法210二类精度的水文站单一曲线法110水力因素法212三类精度的水文站单一曲线法211水力因素法315注：1.临时曲线法定线的精度指标同单一曲线。2.采用水面浮标法测流定线随机不确定度可增大2%～4%。3.采用比降—面积法测流的水位流量关系定线精度可参照水力因素法。4.巡测站定线随机不确定度可增大2%。（在此提一下中游局和荆江局“四口”入湖的一些测站，作为巡测站随机不确定度可增大2%）多条单一曲线相互间最大偏离不超过下表精度指标时，可合并定线。经合并定线后测点对关系曲线的定线误差应符合（水位流量关系合并定线精度指标表）的要求。9水位流量关系合并定线精度指标表相对误差站类（%）水位级一类精度的水文站二类精度的水文站三类精度的水文站高水468中水5810低水81215注：合并定线有10个测点以上的，应进行三种检验和不确定的计算。二．连时序法受某一因素或多种因素混合影响的测站，一般都采用连时序法。采用连时序法定线推流时，流量测次应较多，并能控制水位流量关系变化的转折点。在这里我想补充讲一下，测次多少的问题。除了单一曲线法，连时序法、连实测流量过程线法都会联想起一个测次较多的问题，其实不然。水文资料原型资料的收集，都必须遵循一个原则，即过程控制。我们的《水文测验任务书》中对测次布置，都提出这样一个要求。水位（人工观测时）有2段制、4段制、8段制、甚至逐时制。流量测次分布一般是这样的，根据水位与流量的变化情况布置测次，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经流特征值为原则。遵循这个原则，我个人认为过多的测次是不必要的，这就有一个合理的、科学的布置测次的问题。基于这一点，我想提醒外业测验的负责人，主测人员要充分认识到这一点，由于整编工作属内业工作范10畴，内业工作的开展首先必须基于外业测验资料，合理的、科学的布置测次是确保内业资料整编工作质量的前提，这就要求我们的外业测验负责人、主测人员一定要及时了解分析水情、沙情的变化，合理的分布测次。这一点是非常重要的，过去我们都讲内业指导外业就是这个意思，也就是说负责外业测验的责任人，和主测人员一定要熟悉资料整编的原则和方法。连时序法推流的方法和步骤：1.分析各时段的影响因素，点绘水位流量、水位面积和水位流速关系图。依测点的时序进行分析，并参照水位过程线根据主要影响因素和水位过程划分定线时段。2.根据各时段的主要影响因素，分析水位面积和水位流速关系变化趋势，依实测流量测点的顺序连绘水位流量关系曲线。连绘的水位流量关系曲线为绳套曲线时，其绳套顶部或底部应分别与时段内的对应的峰顶或谷底水位相切，过渡线与临时曲线或稳定曲线衔接时应相切。3.连时序法在定线时，无特殊原因应以通过年最大和最小实测流量为原则。4.应用连时序法定线推流时，个别时段内，测点分布合理，满足控制水位流量变化过程的要求，且测点分布呈一带状时，连绘绳套曲线困难时或某水位级内按时间顺序连绘绳套线过多或复杂（也就是线型不好看），尽量采用合并定线，即临时曲线的方法进行处理，相邻曲线则采用自然过渡和内插过程线衔接。115.在连绘绳套曲线时，对中间过程的流量测点，不要一味经过实测点，在综合考虑线型自然和水位流量关系曲线趋势，作适当偏离。但必须以满足定线精度指标为原则。6.水位流量结点的要根据水位流量关系线的曲率变化情况合理选取，曲率变化大的要加密，流量变化的转折处，特别是特征值处要加密，曲率变化小的可适当少一点，但结点选取应分布均匀。实例讲