河道水位流量预报方法研究

【摘要】本文结合洪水波的运动波近似值, 建立了河道洪水流量和水位预报方法。为河道的规划设计和防洪调度提供了决策依据。

【关键词】河道水位流量预报方法 变特征河长琼斯公式

中图分类号： P332.3 文献标识码： A 文章编号：

一．前言

流量和水位是河道预报中最主要的水文要素。为了研究建成后河段中河道流量和水位的变化过程, 本文对河道洪水流量和水位预报方法进行研究。

二．河道水位流量关系

水位流量关系河渠中某断面的流量与其水位之间的对应状态。 这项关系要根据当地的不同水流情况的多次实测流量和其相应的水位来确定，通常用经验曲线、经验方程或表格等形式表达。它是由各种水力因素（如水面宽、断面面积、水力比降、糙率等）决定的。水位流量关系有稳定的，也有不稳定的。流量测验技术比较复杂、耗资比较昂贵，难以连续进行,而连续地观读水位则容易办到,因此通常将连续的水位资料，通过水位流量关系推算、转换为连续的流量资料，供水文计算或水文预报分析使用；有时也因某种需要，由流量通过水位流量关系反推水位，如河道防汛水位，闸坝电站下游水位等。所以，水位流量关系具有重要的实用意义。

1.稳定的水位流量关系。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。这就是稳定的水位流量关系。水位流量关系维持稳定，必须具备下列条件之一：

（一）断面面积、水力比降和糙率等水力因素在同一水位时,维持不变。

（二）在同一水位时，上述各因素虽有变动，但其变动对水位流量关系的影响可以互相补偿。在这种条件下，同一个水位，就只有一个相应的流量，水位流量关系就成为单一的曲线。水文测站断面总是尽可能选择在那些具备基本稳定条件的地方，必要时，用人工铺设固定河床或在断面下游附近建造拦河低堰等方法来创造这种稳定条件。应用稳定的水位流量关系对于编制逐日平均流量、洪水水文要素摘录表和因工程设计或防汛需要推求各种水位或流量都十分方便。

2.不稳定的水位流量关系。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：

（一）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；

（二）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；

（三）变动回水，在河流的中下游，河渠水位受支流汇合、闸门启闭、湖水顶托等影响，使水面比降发生变化，引起水位流量关系的不稳定；

（四）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。 3.水位流量关系曲线的延长。如果因条件限制，不能测得最高、最低水位的相应流量，在无实测流量的水位幅度内，要对水位流量关系曲线作高低水的延长。对于高水,往往可以根据实测的、调查的、推估的比降和断面等资料用水力学公式推算洪峰流量，用相应水位点在图上作为控制，进行延长。对于低水,往往可以找出断流水位,以该水位与纵坐标的交点作为控制，进行延长。曲线延长是否恰当，会直接影响最大最小流量洪枯水期径流量等的正确确定，而这些重要数据有时关系到工程设计项目的规模和尺寸，因此在延长时，特别是在外延幅度较大时，必须十分慎重。

三. 河道流量与洪水预报

河道流量演算是以圣维南方程组为理论基础，利用 上断面流量过程演算成下断面的流量过程。

1.河道相应水位（流量）预报

（一）洪峰水位（流量）预报。在分析大量实测河段上、下游断面水位（流量）过 程线的同位相水位（流量）之间定量关系及其传播 时间变化规律的基础上，建立经验预报方案。

（二）水位(流量)过程预报。 在防汛工作中，洪峰及其出现时间是一个很重要的 预报要素，但在大江大河及有些河流的中下游，洪水 历时很长，往往还要预报水位(流量)过程以弥补洪峰预 报的不足。过程预报可以采用洪峰水位制作的关系并 采用现时校正的方法进行。由于篇幅所限，不再展开 细述，可以参考相关的文献。

2.回水、感潮河段的水位（流 量）预报

（一）受变动回水顶托影响河段的水位（流量）预报。 在干、支流或河、湖汇合处附近的河段，上游来水与支流或湖泊来水之间相互干扰，常发生回水顶托，影响洪水波运行变化特性。建立预报方案时，要分析上游来水和回水顶托这两项因素及其作用程度。 对于上游干流来水影响为主的河段，可先建立上、下游站相应水位（流量）关系，用反映回水顶托的要素作参数。

（二） 感潮河段的水位预报。 感潮河段指受海洋潮汐影响的入海河流的下游河段。感潮河段的水 情变化除与上游来水有关外，还受潮汐波动的作用，若遇台风和暴雨，常使感潮河段水位抬高。

四．河流水位预报方法

以长江荆江河段监利水位为例，当已知当天监利流量、水位和下游螺山水位时，利用天然河道预报新方法可预报第二天监利的水位。 研究结果表明，预报平均水位与实际发生水位过程上趋于一致，预报平均水位误差不超过 1.0 m。监利水文站位于长江中游，距下游螺山水文站 120 km。 监利水位不仅受上游来流的影响，而且还受到洞庭湖出流顶托影响。

水位预报方法具体计算步骤如下：

1.水位流量关系单值化拟合分析 1980―1987 年监利逐日流量、水位长系列资料，得到水位流量关系拟合关系式（1）

2.不同流量级预报时间流量变化确定利用上述长系列资料，计算监利第二天日均流量与当天日均流量差值，和该差值与当日流量比值。 点绘监利日均流量与该比值关系，可以得到该关系点的平均线及上、下包线。

3.流量变化引起的水位变化计算利用上述平均线、上包线、下包线， 即可粗估监利第二天的流量，分别代入式（1），计算得到监利由于流量变化引起的水位值。

4.利用上下站水位关系确定下站可能水位

考虑第二天螺山可能的水位变化，方法是点绘监利水位与螺山水位关系，利用该关系及流量变化引起的水位值，即可得到螺山的三个第二天可能水位。

5.预报水位计算再将这三个可能水位及可能流量代入式（1）中进行计算，即可得到监利第二天三个预报水位。

6.第二天实际流量、 水位的输入第二天实际观测监利流量、水位及螺山水位输入后，作为下日水位预报的依据值。 再重复以上步骤。该方法计算步骤为以上 6 步。 实际上在预报时， 按 2～6 步骤计算即可。 第 1 步已利用已有系列进行拟合得到， 如河道没有大的边界条件改变，可依（1）式关系预测水位。 相关文献已证实，长江中游 1980―1987 年系列拟合关系与 1998 年资料相吻合。本方法考虑了不同流量情况下，下个时段可能的流量变化，还考虑了由于上站流量变化引起的下站水位变化。利用水位流量关系新方法，即（1）式，计算得到所需的水位预报结果。

五.结束语

本文介绍了一种新的水位预报方法，依据当天流量、水位可预报本站第二天水位， 误差基本小于 1.0 m。所举实例河段为长江中游复杂河段，既有上游四口分流影响，又有下游洞庭湖出流影响。 如按一般洪水预报计算， 复杂的江湖关系给计算带来极大的困难， 需要引入更多的水流条件和河道形态数据，它为河道规划提供了设计依据, 也为河道的防洪减灾工作提供了决策依据,具有较强的实用性。

参考文献：

[1] 戴清，韩其为，毛继新.长江散乱水位流量关系单值化处理方法的研究[J]，泥沙研究，1999（3）

[2] 林秉南.大洪水后的一些思考[J]，中国水利水电科学研究院学报，1998，2（2）.

[3] 吴道喜;长江中游洪灾成因及防治策略研究[D];武汉大学;2005年