導(dǎo)語(yǔ)：山站水位流量研究論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

近年來(lái)，長(zhǎng)江流域連續(xù)出現(xiàn)了大洪水，城陵磯上下河段，洪峰水位連年超歷史紀(jì)錄，在來(lái)水量小于1954年洪水來(lái)量的情況下，洪峰水位卻大大高于1954年最高洪水位，其控制水文站—螺山水文站，1998年創(chuàng)下了34.95m（凍結(jié)吳淞基面，下同。）的歷史最高水位記錄，高出1954年最高水位1.78m之多，而洪峰流量卻比1954年洪峰流量少11300m3/s。近幾年螺山站洪峰水位、流量與1954年的情況詳見(jiàn)表1

表1螺山站近年洪峰水位、流量與1954年洪水的比較

年份

1954

1996

1998

1999

年最高水位Z/m

33.17

34.18

34.95

34.60

年最大流量Q/m3s-1

79900

67500

68600

68500

注：表內(nèi)水位為水文站實(shí)際觀測(cè)值未作斷面換算。

2螺山附近河道概況和螺山站水位流量關(guān)系主要影響因素

2．1螺山附近河道概況

螺山河段上段城螺河段長(zhǎng)30.5km，沿岸受城陵磯、白螺磯～道人磯、楊林磯～龍頭山以及螺山～鴨欄等天然節(jié)點(diǎn)控制，河床分汊，河道穩(wěn)定。下段新堤河段，主要受下游赤壁山節(jié)點(diǎn)控制，但因節(jié)點(diǎn)間距離較長(zhǎng)，對(duì)水流的控制作用較弱，水流出螺山后河道逐漸加寬，主流擺幅較大，河床多段呈散亂寬淺，為邊灘、潛洲的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。自1994年實(shí)施界牌河段整治以來(lái)，邊灘、新淤洲等成型淤積體淤高完整，河道趨向穩(wěn)定。本河段的地理位置特殊，上接長(zhǎng)江中游蜿蜒曲折的下荊江河段與洞庭湖出口的交匯處；下有陸水及長(zhǎng)江第一大支流漢江入?yún)R。洞庭湖的調(diào)蓄以及下游支流的漲落水流對(duì)該河段的水位流量關(guān)系有一定影響。尤其本世紀(jì)以來(lái)下荊江發(fā)生的幾次自然和人工裁彎，河長(zhǎng)縮短太多，加速三口萎縮，引起了江湖關(guān)系的調(diào)整和本河段水沙條件和河勢(shì)的變化。

2.2螺山水文站的基本特征

螺山水文站位于湖北洪湖市境內(nèi)，控制流域面積1294911km2，中、高水位時(shí)河段順直長(zhǎng)約2km，測(cè)流斷面呈W型，斷面沖淤變化較大，主泓位置歷年來(lái)有所擺動(dòng)。該站水位流量關(guān)系主要受節(jié)點(diǎn)控制，螺山和鴨欄磯出露的基巖及下游30km右岸赤壁山對(duì)該站水位流量關(guān)系起不同程度的控制作用。

螺山站歷年水沙情況變化,見(jiàn)表2。

表2螺山站水沙統(tǒng)計(jì)表

時(shí)段

含沙量（kg/m3）

平均流量（m3/s）

平均徑流量（億m3）

平均輸沙量（億t）

1954～1958

0.579

21500

6801

3.81

1959～1966

0.656

20000

6320

4.11

1967～1972

0.686

20000

6312

4.31

1973～1980

0.730

20100

6343

4.63

1981～1988

0.761

20100

6334

4.82

1989～1995

0.556

20600

6495

3.67

可以看出，1954年至1988年螺山站含沙量逐時(shí)段增加。下荊江裁彎后，含沙量增加值相對(duì)較大。

2.3螺山站水位流量關(guān)系的主要影響因素

螺山站所處河段的地理位置決定了該站水位流量關(guān)系影響因素較為復(fù)雜。主要包括：a、斷面和河段的沖淤變化及河勢(shì)調(diào)整；b、洪水漲落率影響；c、下游堤防、洲灘變化及分洪和下游變動(dòng)回水的頂托影響等?，F(xiàn)就各因素的影響情況分述如下。

2.3.1斷面和河段沖淤

自1954年以來(lái)螺山站斷面一直處于不穩(wěn)定的變動(dòng)之中。1954～1966年該站的水位～面積曲線呈左移趨勢(shì)，1966～1976年變動(dòng)不大，1976年以后左移趨勢(shì)更加明顯，至1986年淤積達(dá)到極點(diǎn)。1987年后開(kāi)始沖刷，至1996年基本接近50～60年代狀態(tài)，隨后又呈現(xiàn)淤積狀態(tài)。說(shuō)明自下荊江裁彎以后，螺山河段淤積明顯。從螺山斷面的沖淤過(guò)程，可以初步推斷荊江裁彎引起的江湖關(guān)系的調(diào)整和對(duì)下游河道的影響正在向螺山以下河段推進(jìn)，螺山以下附近河段在今后一段時(shí)間內(nèi)仍將以淤積為主。90年代城陵磯至螺山水位落差的減少以及螺山至龍口水位落差的增加，也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了螺山至龍口河段內(nèi)淤積發(fā)展的可能性。

2.3.2洪水漲落和回水頂托

歷年螺山站中高水水位流量關(guān)系曲線均呈不規(guī)則的時(shí)序型繩套曲線，同一水位下流量差一般為20～30%，最大可達(dá)50%以上；在流量為50000m3/s時(shí)，水位變幅可達(dá)1～2m；當(dāng)水位為33m時(shí)流量變幅為10000～15000m3/s。造成這一現(xiàn)象的主要原因是洪水的漲落和下游回水的頂托。當(dāng)洪水來(lái)源主要系洞庭湖來(lái)水時(shí)，因長(zhǎng)江底水較低，洪水漲落影響較荊江來(lái)水要大；當(dāng)上游來(lái)水與螺山以下區(qū)間洪水（如陸水、漢江以及螺山以下電排站排澇入江的水量）遭遇時(shí)，頂托影響加劇，從而使水面比降減少，流速降低，水位抬高。

根據(jù)50～90年代城陵磯（七里山）、螺山、龍口三站水位落差變化的分析，發(fā)現(xiàn)三站落差的變化呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：城陵磯～螺山河段，60年代與50年代比較逐漸增大，螺山站水位高于29m時(shí)增大幅度在0.2m左右，水位29m以下時(shí)增幅為0.15m左右；70～80年代與60年代比較水位29m以上基本一致，而水位29m以下增大約0.15m；90年代較80年代減少約0.15m，與60年代相當(dāng)。而螺山至龍口河段，50～80年代高水落差基本穩(wěn)定，低水（水位29m以下）60～80年代較50年代有明顯增大，平均增幅在0.20m以上；90年代各級(jí)水位均有偏大趨勢(shì)，增幅為0.10m左右水面落差的這一變化趨勢(shì)無(wú)疑對(duì)水位流量關(guān)系會(huì)產(chǎn)生影響。

3水位流量關(guān)系變化分析

螺山站水位流量關(guān)系受多種因素綜合影響所呈現(xiàn)的復(fù)雜的多值關(guān)系，使得次洪與次洪、年際與年際之間缺乏可比性。要水位流量關(guān)系在次洪、年際間具有可比性，必須將各種因素影響的水位流量關(guān)系轉(zhuǎn)換到同一基礎(chǔ)上，亦即采用目前國(guó)內(nèi)通用的綜合落差指數(shù)法來(lái)探求螺山站水位流量關(guān)系的變化。

天然河道的洪水演進(jìn)可用圣維南（St.Venant）方程組描述。由圣維南非恒定流動(dòng)量方程

作適當(dāng)變換并忽略慣性項(xiàng)()后，可得：

以上式中Q為流量；K為流量模數(shù)；S0為穩(wěn)定流比降；h為水深；x為距離；V為流速；t為時(shí)間；g為重力常數(shù)。

對(duì)于兩固定斷面而言

式中：△Z表示兩固定斷面的水位差；L為兩固定斷面的間距。

以式（2）代入式（1），則有

由于K與水深為單值關(guān)系，而L為常數(shù)，故K/L0.5也與水深成單值關(guān)系，令

即可導(dǎo)出落差指數(shù)法的理論公式，即

式中q稱(chēng)單值化流量（或流量校正因素）。

上式中落差指數(shù)0.5是理論值，當(dāng)水面線不是直線而是曲線時(shí)，尤其當(dāng)兩固定斷面距離較遠(yuǎn)時(shí)水面線比較明顯地表現(xiàn)為曲線，欲使曲線落差逼近直線落差，式（4）的處理不一定都能達(dá)到預(yù)期的目的。因此，在實(shí)際工作中經(jīng)驗(yàn)性地將式（4）表示為：

此即落差指數(shù)法的基本公式。實(shí)踐證明，式（6）較式（5）處理方法更靈活，效果更好。

螺山站上距洞庭湖出口七里山30.5km，下游61km有龍口水位站（1986年下遷8km并更名為石磯頭水位站）。采用綜合落差指數(shù)分析時(shí)，綜合落差公式為

△Z=a△Z1+b△Z2

式中：△Z1為七里山至螺山站落差，表示漲落影響；△Z2為螺山至龍口站落差，表示回水頂托影響，其中1986年以后以石磯頭水位換算至龍口；a、b表示兩河段落差的權(quán)重，在一定意義上可把a(bǔ)看作考慮漲落影響的權(quán)重系數(shù)，b可看作考慮回水頂托影響的權(quán)重系數(shù)，在計(jì)算時(shí)一般取a=L2/（L1+L2）、b=L1/（L1+L2），其中L1、L2分別為七里山至螺山、螺山至龍口的間距，本次分析取a=0.67、b=0.33。

資料采用年限為1954～1999年，并劃分為6個(gè)時(shí)期即：1954～1966年、1967～1976年、1977～1981年、1982～1986年、1987～1993年、1994～1999年。每個(gè)時(shí)期按年最高水位從高到低選1～4個(gè)典型年。具體年份為：1954、1956、1957、1964、1968、1969、1970、1973、1976、1980、1982、1983、1991、1996、1998、1999共16年。

3.1水位單值化流量關(guān)系變化

通過(guò)16個(gè)典型年資料計(jì)算機(jī)逐層統(tǒng)計(jì)識(shí)別優(yōu)選，使各年Z～q關(guān)系擬合最佳。發(fā)現(xiàn)綜合落差指數(shù)年際間變化較大，50～80年代其值在0.6～1.1之間變動(dòng)，進(jìn)入90年代以后逐漸衰減，至1996～1999年其值在0.3～0.5之間。綜合取α=0.5，各典型年Z～q關(guān)系擬合較好，符號(hào)、適線、偏離數(shù)值檢驗(yàn)合理，各年水位單值化流量關(guān)系測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差在4.04～7.68%之間，單值化流量測(cè)點(diǎn)對(duì)單值化線相對(duì)誤差小于10%的測(cè)點(diǎn)占全年測(cè)點(diǎn)總數(shù)的比例為80～100%，符合《水文年鑒編印規(guī)范》單一曲線的定線標(biāo)準(zhǔn)。

將各年Z～q關(guān)系點(diǎn)繪在同一圖上，可以看出螺山站水位流量關(guān)系年際間變化較大。與1954年關(guān)系線比較，除1956、1957年關(guān)系線外，60～90年代關(guān)系線系統(tǒng)偏左，且逐年代左移。該站水位流量關(guān)系變化總的趨勢(shì)是：同流量級(jí)水位90年代比50年代明顯抬高，同水位級(jí)泄流能力90年代比50年代明顯降低。

為進(jìn)一步分析同流量級(jí)水位的抬高量和同水位級(jí)泄流能力的減少量，根據(jù)各水位級(jí)和流量級(jí)七里山至螺山、螺山至龍口可能出現(xiàn)最大、最小和平均落差，按各個(gè)時(shí)期的平均線比較推算出各流量級(jí)水位的變化量和各水位級(jí)泄流能力的變化量，并將計(jì)算成果進(jìn)行綜合分析比較，可以初步得出螺山站水位流量關(guān)系的變化規(guī)律：

(1)隨著流量的增加水位抬升變化量逐漸減少，但同流量級(jí)水位抬升量有逐年增加趨勢(shì)，且水位的抬升變化以1967～1981年最為顯著，1982年以后流量40000m3/s以下水位抬升趨于平緩，流量40000m3/s以上1994年以后抬升變化量

加大。若按各個(gè)時(shí)期分析樣本年份的平均線比較，1994～1999年與裁彎前對(duì)比30000m3/s以下對(duì)應(yīng)平均落差時(shí)水位抬高量在1.56m以上；30000～40000m3/s水位抬高量為1.56～1.31m；40000～50000m3/s水位抬高量為1.31～1.17m。

(2)螺山斷面的泄流能力已發(fā)生顯著變化，1954～1981年減少較多，1994～1999年與裁彎前比較，水位25～33m按平均落差計(jì)算泄流能力減少5500～6130m3/s左右；水位20m泄流能力減少3360m3/s左右，但該水位級(jí)自1987年以后泄流能力較80年代初略有增加。

3.2非恒定流水位流量關(guān)系變化

動(dòng)量方程式（1）在一定程度上表征了非恒定流水位流量關(guān)系的基本特性。模型主要受控于洪水特性（包括水位的高低變化、洪水的自然漲落和變動(dòng)回水的頂托）和河道的邊界條件，可以近似地認(rèn)為是自然洪水特性和河道邊界條件在水位流量關(guān)系上的映射。對(duì)式（1）作適當(dāng)變形后，按參考文獻(xiàn)[6]的算法，以螺山站16個(gè)典型年按年度劃分的非恒定流水位流量關(guān)系。各年擬合精度較之單值化處理的精度有較明顯的提高，水位流量關(guān)系測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差在3.27～5.75%之間，點(diǎn)對(duì)線相對(duì)誤差小于10%的測(cè)點(diǎn)占年測(cè)次總數(shù)的比例為92.73～100%。

1954年洪水是長(zhǎng)江近百年來(lái)具有代表性的洪水，且已作為長(zhǎng)江中下游防洪規(guī)劃的典型年。在目前的河道條件下，若重演1954年的水位，水位流量關(guān)系和河道的泄流能力將會(huì)如何變化呢？這是許多人十分關(guān)心的問(wèn)題。以1954年七里山、螺山、龍口三站的水位過(guò)程輸入各典型年非恒定流水位流量關(guān)系模型，推算出相應(yīng)的流量過(guò)程并轉(zhuǎn)換為水位流量關(guān)系曲線后與1954年模型實(shí)際推算的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行比較，十分明顯地看到了兩線的差別。由于輸入的洪水條件完全相同，而曲線之間的差異在一定意義上可以認(rèn)為主要是河道變化造成的。比較發(fā)現(xiàn)：各典型年中除1956、1957年模型推算曲線較1954年實(shí)際模擬線偏右外，其余各典型年明顯偏左。表明若重演1954年水位，進(jìn)入60年代以后，螺山站水位流量關(guān)系變化總的趨勢(shì)是：泄流能力降低，其中以1996年水位32m流量減少7100m3/s為最大；同流量時(shí)水位抬高，當(dāng)流量為50000m3/s時(shí)，1996年與1954年比較最大水位抬高量為0.80m，20000m3/s時(shí)水位抬高量最大可達(dá)2.0m左右。但1996～1999年與1983年比較，水位25m以下過(guò)流能力有所增大。

4結(jié)論

（1）螺山水位流量關(guān)系受河段和斷面沖淤、洪水漲落、回水頂托、河勢(shì)調(diào)整等多種因素的綜合影響，呈現(xiàn)復(fù)雜的多值關(guān)系。多年來(lái)水位流量關(guān)系處于不穩(wěn)定的變動(dòng)之中。

（2）多種分析方法綜合分析結(jié)果表明：下荊江系統(tǒng)裁彎后，螺山水位流量關(guān)系逐漸左移，同流量下水位逐漸抬高。根據(jù)綜合落差指數(shù)法單值化處理成果，按各個(gè)時(shí)期分析樣本年份的平均線比較，1994～1999年與裁彎前對(duì)比30000m3/s以下對(duì)應(yīng)平均落差時(shí)水位抬高量在1.56m以上；30000～40000m3/s水位抬高量為1.56～1.31m;40000～50000m3/s水位抬高量為1.31～1.17m。

（3）螺山斷面的泄流能力已發(fā)生顯著變化，1994～1999年與裁彎前比較，水位25～33m按平均落差計(jì)算泄流能力減少5500～6130m3/s；水位20m泄流能力減少3360m3/s左右，但該水位級(jí)自1987年以后泄流能力較80年代初略有增加，中高水泄流能力維持繼續(xù)降低的趨勢(shì)。

（4）90年代以來(lái)，七里山至龍口河段水面比降出現(xiàn)新的調(diào)整，七里山至螺山水面比降變緩，螺山至龍口水位落差加大，反映水面比降曲率變化的落差指數(shù)與80年代比較出現(xiàn)較大幅度的衰減?？梢酝茢嘁鹇萆綌嗝嫘沽髂芰ψ兓淖杷佣纬霈F(xiàn)在螺山與龍口之間，這與武漢水利電力大學(xué)段文忠等[7]的河床沖淤量計(jì)算結(jié)果是吻合的。

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