水利工程論文-長江中游散亂水位流量關(guān)系單值化處理方法研究.doc

水利工程論文-長江中游散亂水位流量關(guān)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(guān)水位流量長系列實測資料的基礎上，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(guān)系模式：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行深入分析，利用該方法所求結(jié)果與實測值完全吻合。關(guān)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(guān)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，又將受未來三峽水庫建庫的影響，變得十分復雜。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(洞庭湖出湖七里山站)、監(jiān)利水位流量關(guān)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(guān)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行單值化處理，公式形式為Q=Qm/H=f(H)(1)H=1H1+2H2+3H3(2)式中Qm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為相應的距離(km)，為待定指數(shù)。選取典型年作各大時段單一水位流量關(guān)系。(2)冪函數(shù)擬合法：依據(jù)裁彎前后的一部分水文資料，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(guān)系，采用冪函數(shù)擬合，公式形式為Z=Q(3)式中Z為水位，Q研究者認為，上述方法一般相關(guān)關(guān)系較好，除個別點外，相關(guān)系數(shù)可達到0.9以上。本文研究對相應河段乃至下游螺山站、武漢關(guān)站水位流量關(guān)系進行了深入分析，提出關(guān)系模式成果，將克服上述兩個方法不足。并(1)為僅需一站水位資料。(2)變分級流量關(guān)系式為統(tǒng)一的關(guān)系式。2分析方法及基本關(guān)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(guān)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45m,這種散亂關(guān)系，是受下游洞庭湖出流影響的結(jié)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(guān)系點相對集中的流量范圍，如15000m3/s流量以下，流量由4000m3/s增加到13000m3/s時，水位相應由21.2m抬高至27.8m，變化幅度達6.6m。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2021m為例，流量變化在3960m3/s至12900m3/s，監(jiān)利水位由23.4m增至25.8m，變化僅2.4m。如將下游螺山站的水位按大小劃分若干組，則可知每一組的監(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(guān)系RelationbetweenwaterlevelanddischargeatJianlistationfrom1980to1987圖2監(jiān)利站水位流量關(guān)系(H螺山=2021m)RelationbetweenwaterlevelanddischargeatJianlistation(Hluoshan=2021m)分析認為，監(jiān)利的水位由以下兩部分組成，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的確定將監(jiān)利站統(tǒng)計年份逐日流量與監(jiān)利至螺山水面比降關(guān)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=2021m組點，見圖4“+”點所示。H下=2728m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(guān)系RelationbetweendischargeatJianlistationandwatersurfaceslopeinreachfromJianlitoLuoshan圖4不同螺山水位監(jiān)利流量與水面比降關(guān)系RelationbetweendischargeandwatersurfaceslopeatJianlistationunderdifferentwaterlevelsatLuoshanstation3中很散亂的點是由下游水位不同組數(shù)據(jù)匯合而成的，實際每組的QJ關(guān)系是很有規(guī)律的。同組條件下，比降隨流量的增大而單調(diào)增加。進一步分析可知，J的增加與Q可由線性關(guān)系表示。如將Q=0交點的比降值用J0表示，流量引起的比降變化用JQ表示，即可得到J=JQ+J0(5)對比(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)驗擬合J與QJQ=(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+c(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(guān)系基本表達式H=(10aH下b+c)QL+(d+eH下)L+H下(10)或J=(10aH下b+c)Q+(d+eH下)(11)其中a、b、c、d、e五個為待定系數(shù)，且a、b、c與d、e數(shù)均有明確的數(shù)學含義和其簡單的計算方法，后文中將詳細介紹。其他符號意義同前。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(jié)果點繪于圖5及圖6中。圖5螺山水位與監(jiān)利J關(guān)系RelationbetweenwaterlevelatLuoshanandJ0atJianlistation圖6螺山水位與監(jiān)利(H下)關(guān)系RelationbetweenwaterlevelatLuoshanand(H下)atJianlistation由上述圖點關(guān)系可分別求得a、b、c、d、e(比降J用1/1000Q用103值，距離L用公里數(shù))。系數(shù)值列于表1。以同樣方法，對七里山站(下站螺山)、螺山站(下站龍口)、武漢關(guān)站(下站黃石)1980年1987年逐日水文資料進行分析，確定各站系數(shù)并一一列入表1中。表1系數(shù)取值(19801987)Valuesofcoefficient(19801987)站名監(jiān)利(螺山)七里山(螺山)螺山(龍口)武漢關(guān)(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(jié)果將統(tǒng)計年份的點計算對比結(jié)果點繪于圖7(a、b、c、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，該站水位高低主要受下游站水位變化的影響；(2)利用上述(10)式關(guān)系，當已知本站流量、水位、下站水位三個參數(shù)中的任意兩個，均可計圖7實測水位與計算值對比Comparisonofobservedandcomputedstages圖8監(jiān)利站實測流量與計算值對比ComparisonofobservedandcomputeddischargeatJianlistation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,并與實測流量對比，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，而由均勻流基本公式J=Q2n2/A2R4/3；仍看不出公式中各參數(shù)之間的因果關(guān)系。實際上，Q、n、J均是獨立量。如果邊壁條件不一樣，水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(guān)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，但該項能夠具體計算，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入。4監(jiān)利水位年代變化分析建立了上述水位流量關(guān)系式，即可很方便地對比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年代相對比時段選為19541959年系列，對監(jiān)利站水位流量及下游螺山站水位進行頻率分析，結(jié)果列于表2。由表中數(shù)據(jù)可看出，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(guān)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、螺山水位頻率分析對比AnalysesoffrequencyofdischargeandwaterlevelatJianliandthewaterlevelatLuoshan站年代頻率Max1%5%10%50%min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TendencyofstagesatJianlistationin80sand50s圖100.10頻率流量下監(jiān)利站水位變化趨勢與實測值對比ComparisonofcomputedandobservedstagesatJianlistationataflowfrequencyof0.10(2)其它頻率時，監(jiān)利水位變化參見圖9(b)及圖10(a，b)。80年代為27.028.0m,相應監(jiān)利水位33.5m，50年代下游水位31m左右，監(jiān)利水位達到34.6m,高出1.1m。由圖10(a,b)可知，將實測點繪