枯水期芦苞(二)水文站实时流量监测研究

龙悦敏

(广东省水文局清远水文分局，广东 清远 511500)

0 引言

北江是广东最重要、最复杂的河流之一，自北向南流经广东省6个地级市36个县(市、区)，支流众多，集水面积在1000 km2以上的一级支流有10条，因此给北江流域的河长制、湖长制管理带来很大的难度和复杂性。

枯水期水量对河湖水质及突发水环境事件的及时应对有重要意义，但位于北江干流的芦苞(二)站缺少流量监测，为进一步提升水文服务河长制基础保障能力，需要建立芦苞站的实时流量监测方案。

1 水文站概况

1.1 芦苞(二)站

芦苞(二)水位站位于北江干流，靠近佛山市三水区芦苞水闸，集水面积约为39200 km2。枯水期时芦苞水位(珠江基面)通常在0.0 m～2.0 m间波动，受潮水的严重顶托，每天的水位过程都有明显的两个高潮和低潮，由于低水位时水位流量对应关系差，且在目前的水文技术条件下，很难通过常规的水文方法测量得到实时流量，因而需要通过其他技术手段获取芦苞断面实时流量。

1.2 石角站

石角水文站位于清远市清城区石角镇，集水面积38363 km2，是北江流域总控制站。石角站常规的流量测验方法为在线自动测流与走航式ADCP(声学多普勒流速剖面仪)测流相结合，流量低于6000 m3/s时采用在线自动测流，测量间隔为1 h；流量高于6000 m3/s时则用走航式ADCP测流。石角站平均每年流量测验次数在70次左右。

石角站流量在6000 m3/s及以上时，水位流量关系较好，可以通过查水位流量关系曲线获得实时流量；流量在6000 m3/s以下时，可以通过在线自动测流设备获得实时流量。

1.3 研究路线

石角-芦苞区间河长约24 km，石角站与芦苞(二)站集雨面积相差约840 km2，两站集水面积差占石角站集雨面积的2.2%，占芦苞(二)站集雨面积的2.1%，区间内只有漫水河一条主要支流。

根据区间水量平衡原理，石角流量与漫水河流量之和为芦苞流量。刘中峰[1]等人在研究芦苞涌分流量变化时，对石角站、芦苞站1953年7月～1962年12月同步监测的逐日水位数据进行分析发现，两站点水位变化规律一致，具有较好的相关性，可由石角水位得到芦苞水位。因此，在确定旁侧入流的影响后，可通过水位相应法分析石角-芦苞区间水流传播时间，若无法忽略旁侧入流，则在后续分析中需考虑旁侧入流对干流河段的水流传播时间的阻滞和分流作用，最后确定石角逐时流量与芦苞逐时流量的对应关系。

2 漫水河流量

漫水河作为石角断面下游汇入北江的主要支流，干流长75 km，集水面积为775 km2，河流平均坡降为2.68‰。通过查找历史水文资料，查得漫水河流域多年平均年降雨量为1970.4 mm，多年平均年径流深为1188.3 mm，径流系数为0.6。

由于漫水河缺少逐时流量资料，故通过已有资料数据计算得漫水河多年平均径流量和多年平均流量，漫水河、石角的多年平均流量之间的比例见表1。

表1 漫水河和石角多年平均流量对比表

结果表明，漫水河流量占石角流量比例平均约2.2%，石角站与芦苞(二)站集水面积差占石角站集雨面积的2.2%，占芦苞(二)站集雨面积的2.1%，与漫水河流量占石角流量的比例接近，因此将以石角逐时流量的2.2%作为漫水河逐时流量，同时由于漫水河汇流比例较小，平均坡降小，漫水河对干流水流传播的阻滞作用可忽略，因此，仅考虑转换流量时加入漫水河旁侧入流量。

3 水流传播时间

相关系数是用以反映变量之间相关关系密切程度的统计指标，相关程度越高，r值越接近1。定义式为：

(1)

将芦苞(二)站和石角站2018年～2020年的逐时水位时间序列进行相关系数计算，两时间序列的相关系数约为0.967，相关程度很高，与刘中峰等人根据1953年～1962年数据系列分析的结果一致。

相应水位[2]是指河段上下站同位相的水位，用相应水位法分析水流传播时间，即分析下游站出现与上游站同位相的水位所需的传播时间。以石角站为上游站，芦苞(二)站为下游站，利用相应水位法估算石角站到芦苞(二)站的水流传播时间。

水的流动依靠水位落差实现，石角与芦苞之间的水位落差受洪水、潮水顶托等作用存在较大差异，通过将石角与芦苞的水位落差分级，分别统计在不同级别水位落差情况下，各水流传播时间出现的频次，其中，当水位差为负值时，芦苞水位高于石角水位；当传播时间为负值时，芦苞峰值出现时间比石角早。

将水位落差分级与传播时间进行比较，各级水位落差下不同水流传播时间出现的次数结果表明，水位差集中在±0.2 m范围内，水流传播时间集中在±1 h和0 h，且以0 h和-1 h为主，此时，石角水位与芦苞水位落差略小，水流多为从芦苞倒流至石角；当水位差增大，水流传播时间扩大到±3 h甚至5 h。

对比两站降雨与水位序列发现，水位差的增大与由降雨引起的洪水有关，而由于芦苞水位受西、北江洪水影响，若西江洪水占优，西江洪水通过下游思贤滘分流到北江干流，芦苞水位壅高；若北江洪水占优，北江洪水通过下游思贤滘分流到西江干流，加快洪水的宣泄，芦苞水位加速下降，导致芦苞水位峰值出现时间延后或提前，因此水流传播时间存在大于1 h的情况。

综合石角、芦苞水位及各级水位差情况下水流传播的情况，枯水期石角、芦苞水位多在1 m～2 m间波动，且水位落差多在0 m～0.2 m之间，在该水位落差区间内，水流传播时间以0 h和-1 h为主，因此，枯水期时石角-芦苞区间水流传播时间取-0.5 h，负号代表水流方向从芦苞流向石角。

4 流量转换

基于区间水量平衡原理，芦苞流量为石角流量与漫水河流量之和，其中，漫水河流量为石角流量的2.2%；通过相应水位法分析石角-芦苞区间水流传播时间，可将石角流量转换为芦苞流量，考虑石角流量数据是每小时读取，因此，石角流量与芦苞流量的转换关系为：

(2)

5 结语

本文基于对水流传播时间的分析，以相应水位法将上游石角水文站流量转换为下游受潮汐影响而难以准确测量流量的芦苞水文站的流量。在水流传播的分析中，潮汐通过顶托上游来水进而影响水流传播的方向及时间，在技术手段不断完备的将来，如何排除潮汐对近海水文站流量测量的影响，是水文测量技术未来发展的方向。