落差指数法软在线技术在临淮岗站应用的可行性分析

马占国

一、引言

水位流量关系不稳定，不能建立单一的水位流量关系线，为了满足河道对径流量计算需要，必须用大量的实测流量进行流量过程控制，既增加了测流工作量，也影响了水文测报服务于防汛、抗旱工作的效率。因此，需要根据测验河段的河流特性，探寻能够使断面流量关系单一的相关因素，建立流量的单值化曲线。本文探讨落差指数法软在线技术，在临淮岗站应用的可行性。

二、临淮岗站概况

临淮岗站位于安徽省霍邱县临淮岗乡临闸村，2005年1月设站，流域面积为40410km2，是淮河干流中游3000～5000km2以上大河控制站。该站断面控制良好，测验河段顺直，泥沙河床，左右岸均为浆砌石护坡，上游390m 处为临淮岗枢纽控制工程。该控制工程有12 孔深孔闸，测验断面左侧为49 孔浅孔闸，右侧为淮河船闸和沿岗河船闸；中高水断面宽约2km，中低水时开启深孔闸，中高水时深、浅孔闸闸门全开。汛期受下游颍河、淠河洪水顶托，回水影响较为严重。闸下水位流量关系主要受闸门启闭因素及上、下游水位影响，大部分时间流态为淹没式孔流，中高水时发生淹没式堰流。

三、资料的选取

（一）实测资料情况

2020年淮河发生特大洪水，这是临淮岗站自建站以来发生的最大洪水，选取本年度洪水期实测水位、流量资料，进行单值化分析，具有较高的代表性。据此，选取2020年6—8月的实测流量（85 次）及相应的水位资料，探讨实施落差指数法定线的可行性；同时选择本站2021年7—9月的67 次实测流量成果，对构建的落差指数关系曲线进行验证性分析；选取润河集站基本水位断面作为辅助水尺断面，据以推求河段的相应落差△Z。

（二）临淮岗站的水位流量关系

由于临淮岗站受到下游颍河、淠河洪水顶托形成的回水影响较为严重；同时还受到临淮岗枢纽控制工程闸门启闭等因素的影响，致使该站的水位流量关系散乱，无法形成单一的水位流量关系。

四、临淮岗站实施落差指数法分析

（一）辅助水尺断面的选择

润河集站位于安徽省霍邱县王截流乡陈郢村，测站断面控制良好，测验河段顺直，泥沙河床，下游与临淮岗站相距约28km，受临淮岗枢纽控制工程闸门启闭产生的变动回水影响明显。两站水位的相关性较好。因此选择润河集站基本水尺断面，作为临淮岗站落差指数法定线的辅助站具有可行性。

（二）临淮岗站落差指数关系的建立

首先假定同水位不同落差的流量符合式：

式中：

Q1、Q2—同水位不同落差的流量，m3/s；

△Z1、△Z2—为Q1、Q2时的相应落差，m；

β—落差指数；

q—流量与落差β 次方之比（也称校正因数）。

其次，优选落差指数β 值，其变化范围为0.2～0.8，在此区间采取优选法，定出Z～q 关系曲线，通过适线检验、符号检验及反曲检查，选择不确定度最小值β 作为最优落差指数。

其三，根据优选的β 值拟定Z～q 关系曲线，按单一线精度进行检验，当通过三项检验后，即可作为推求流量的曲线。

其四，根据润河集站的水位，计算落差值（△Z）及优选的β 值，用临淮岗站水位推求q 值与△Zβ的乘积见式（1），即为推求的流量，如图1。

图1 临淮岗站落差指数关系曲线图（△Z：润河集-临下n=0.5）

（三）临淮岗站Z～q 关系曲线分析

根据水利部《水文资料整编规范》（SL247-2015）及《安徽省水文资料整编补充规定》（2015年），水位流量资料定线的规定:“受变动回水影响，但是，河段顺直，河槽基本稳定，落差具有代表性的河流断面，可进行落差指数法定线推流。”

本次参与定线的实测流量有85 次，其中有3 个高水测点和3 个中低水测点偏离超过10%，出现的时间为2020年的6月25—28日浅孔闸全部关闭时期，以及7月20—23日姜唐湖蓄洪期。由于临淮岗枢纽控制工程浅孔闸全关，姜唐湖蓄洪，都会造成润河集与临淮岗站落差关系短时间的急剧改变，从而影响落差指数关系线推求流量的准确性。随着水流状态的稳定，落差关系会很快得到修复，工情变化及姜唐湖蓄洪对落差指数关系影响是有限的。通过对Z～q 关系线突出点的分析，消除了不稳定状态的影响。从三项检验成果得到，选择润河集基本水尺断面作为辅助断面，建立的临淮岗站落差指数关系是可靠的，能够满足正常年份及排除浅孔闸全部关闭时期的在线推流需要，见表1。

表1 三项检验成果表

（四）临淮岗站软在线流量成果的误差分析

为了直观地说明临淮岗站落差指数关系的可靠性，绘制了临淮岗站软在线流量与实测流量成果的误差分布图，如图2。从图中可知，除了临淮岗枢纽控制工程浅孔闸关闭及姜唐湖蓄洪时期，出现软在线流量与实测流量对比误差超过10%以外，其他点群密集成带状分布，误差均小于±10%，经过计算得到随机不确定度为7.38%，小于《水文资料整编规范》对一类精度水文站采用水力因素法定线精度10%标准。因此用落差指数法构建临淮岗站流量软在线平台，在技术上是可行的。基于此，可以实现对临淮岗站断面流量的实时准确体现。

图2 临淮岗软在线成果误差分布图

五、临淮岗站实现流量软在线的可行性分析

经过对临淮岗测站特性的分析，建立以润河集基本水尺断面为辅助断面的落差指数单值化关系曲线，需要经过实践的检验。为了验证该落差指数关系的可靠性，将临淮岗站2021年汛期的实测流量与软在线流量成果进行对比，如图3。从拟合的软在线流量与实测流量过程线可以看到，实测流量过程线与软在线流量过程线吻合度极高，而且流量过程与水位变化趋势保持一致，进一步说明软在线流量可以实现对断面实时流量过程的准确反应。

图3 2021年临淮岗站实测流量与软在线成果对比图（△Z：润-临下n=0.5）

六、结语

经过对临淮岗站河流特性的分析，选择润河集站基本水尺断面作为辅助断面，率定了落差指数关系曲线，经过检验，符合规范要求；用软在线流量与实测流量的对比结果，验证了以落差指数关系为基础的软在线流量，可以准确反应临淮岗站的流量变化，因此，在临淮岗站实施落差指数法软在线，在技术上是可行的■