一種干支流交匯區(qū)的水位流量關(guān)系確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利水運工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種干支流交匯區(qū)的水位流量關(guān)系 確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 河道內(nèi)特定水文斷面的水位流量關(guān)系圖形曲線或數(shù)學(xué)表達式，是估算不同來流情 況下河道內(nèi)水位的主要依據(jù)，在防洪設(shè)計水位、通航枯水位以及涉水工程設(shè)計等方面廣為 應(yīng)用。在不受支流入?yún)R影響的單一河道，水位流量關(guān)系比較穩(wěn)定，目前已有較多成熟方法， 但在干支流交匯區(qū)，由于不同來流之間存在相互頂托，交匯點上游的水位流量關(guān)系呈現(xiàn)非 常明顯的多值性，單一河道的水位流量關(guān)系確定方法無法應(yīng)用。針對這種情況，以往工程實 踐中多采用經(jīng)驗辦法，結(jié)合實測水文數(shù)據(jù)直接點繪水位與干、支流兩個來流量之間的經(jīng)驗 關(guān)系曲線，或者采用附加參數(shù)，固定干流或支流流量作為參變量，對單一河道水位流量關(guān)系 進行經(jīng)驗修正。這些方法經(jīng)驗性強且可操作性差，精度不高。尤其是在干流或支流修建水 庫后，流量過程被水庫調(diào)節(jié)，河道地形也發(fā)生沖淤，依靠以往的經(jīng)驗方法更難以對變化情況 下的水位進行定量計算，無法滿足工程實踐的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對交匯區(qū)水位流量關(guān)系受到干、支流出流相互頂托影響，同一來流下水位呈現(xiàn) 多值性的問題，本發(fā)明提供一種非單一型水位流量關(guān)系的確定方法，該方法可確定特定水 文斷面水位與干流、支流兩個來流變量之間的函數(shù)關(guān)系，借助實測資料確定函數(shù)關(guān)系中的 參數(shù)之后，能夠詳細而全面地給出不同干、支流來流組合下的水位流量關(guān)系曲線組，為干、 支交匯區(qū)域的水位估算提供一種便捷途徑。
[0004] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：
[0005] -種干支流交匯區(qū)的水位流量關(guān)系確定方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] 步驟1，干支流交匯對目標斷面水位的頂托強度評估，包括以下步驟：
[0007] 步驟1. 1，取處于干流回水范圍的目標斷面A處至少2年的實測日均水位Zai、實測 日均流量Qai同步資料，在坐標平面內(nèi)點繪水位~流量點群，并采用二次多項式擬合水位流 量關(guān)系Q = f⑵；
[0008] 步驟1. 2,對于N個實測日均水位值Zai，代入擬合的水位流量關(guān)系Q = f (Z)，可計 算得到N個計算流量值Qwi，以此計算標準〗
，其中Qai為實測日均 流量，Qwi為與實測日均水位Z Al相應(yīng)的流量計算值，N為數(shù)據(jù)點總數(shù)；
[0009] 若標準差K 5%，認為目標斷面不受干支流交匯頂托作用影響；
[0010] 若標準差5%，認為該斷面水位受到干、支流之間頂托作用影響；
[0011] 步驟2,頂托作用影響下目標斷面A處水位流量的計算：
[0012] 所述目標斷面A處水位流量關(guān)系方程為：
[0013]
[0014] 其中：ZA為目標斷面A處水位，Q A為斷面A處的流量亦即干流來流量，Q 2為支流來 流量，ZmS A斷面處主槽河床高程，Z ?^為緊鄰干支流交匯點下游的頂托回流區(qū)出口 B斷面 處主槽河床高程，α、β、1、1(2為參數(shù)；
[0015] 步驟3,多值型水位流量關(guān)系曲線組的繪制，以目標斷面A的流量Qa和水位Z # 為橫、縱坐標軸，根據(jù)步驟2中的水位流量關(guān)系方程的計算結(jié)果，在坐標平面內(nèi)繪制出一組 以Qz為參數(shù)的Q A~Z Α關(guān)系曲線，該曲線組為目標斷面A處水位流量關(guān)系的直觀表達圖形， 對于任意的干支流來流量仏和Q ζ組合，可直接在圖中查出目標斷面水位Z Α。
[0016] 所述步驟2中a、K1數(shù)值的率定方法如下：（1)取至少2年的斷面A處的實測日 均水位Z ai、實測日均流量Qai以及斷面B處的實測日均水位Z Bl同步資料；
[0017] (2)按照公式 a"=0.04+0.01m(m = 0，1，2,3，..·，20)取 21 個不同的 α 值，針 對每個α "，依次代）
"i十算，再通過線性回歸擬合八"和Z Al據(jù)之間關(guān)系Y " =K1biZa-Q11,每次回歸計算中的相關(guān)系數(shù)平方為21次計算過程中，相關(guān)系數(shù)平方達 最大值時對應(yīng)的Ctn0 Klni值，即為最終率定得到的α和K1參數(shù)值，河床高程Zm= CnZKlnit3
[0018] 所述步驟2中β、K2數(shù)值的率定方法如下：取斷面B處至少一年的實測日均水位 Zbi、實測日均流量Qbi同步資料，在坐標平面內(nèi)點繪B斷面水位~流量點群，采用二次曲線初 步擬合水位流量關(guān)系，在所得的關(guān)系曲線上取三個流量Q1、Q2、Q3，使兔.從關(guān)系曲 線上查得與三個流量相應(yīng)的水位Zi、Z2、Z3，
b將Z。^值代入對數(shù)形式的水 位流量關(guān)系log Qb= log K 2+ β log (Zb-ZJ，然后采用實測日均水位Zbi、實測日均流量Qbi 資料通過線性回歸確定參數(shù)Κ2、β，由此得到水位流量的理論關(guān)系曲線；以上過程中，可以 0.01的步長上下調(diào)整Z ffi的值，反復(fù)計算參數(shù)Κ2、β，直至理論曲線與實測點據(jù)擬合效果最 好。
[0019] 更具體的說：本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0020] 本發(fā)明提供的干支流交匯影響區(qū)水位流量關(guān)系確定方法，包括以下步驟：
[0021] 步驟1 :干支流交匯對目標斷面水位的頂托強度評估。
[0022] 通常，頂托作用較強的區(qū)段在匯流點上游一定范圍內(nèi)，該范圍隨著洪枯流量變動 而調(diào)整。對目標斷面水位受交匯頂托作用的強度進行評估，其目的是判定目標斷面附近是 否需要考慮水位在不同流量組合下的多值性。具體步驟為：
[0023] 步驟1. 1，取目標斷面A處至少2年的實測日均水位Zai、實測日均流量Qai同步資 料，在坐標平面內(nèi)點繪水位~流量點群，并采用二次多項式擬合水位流量關(guān)系：Q = f (Z)
[0024] 步驟1. 2,對于N個實測水位值Zai，代入擬合的水位流量關(guān)系Q = f (Z)，可計算得 到 N個計算流量值Qwi，以此計算標準差
其中Qai為實測日均流 量，Qwi為與實測日均水位Z Al相應(yīng)的流量計算值，N為數(shù)據(jù)點總數(shù)。
[0025] 步驟I. 3,以標準差\來衡量目標斷面受干支流交匯頂托作用的大小，S J直越大， 頂托作用越強。在單一河段上，實測資料統(tǒng)計表明其標準差\一般在5%以下。因而，本步 驟中，若標準差K 5%，認為目標斷面不受干支流交匯頂托作用影響，可采用單一河段水 位流量關(guān)系確定方法；若標準差5%，認為該斷面水位受到干、支流之間頂托作用，不 能采用單一河段水位流量關(guān)系確定方法。
[0026] 步驟2 :頂托作用影響下水位流量函數(shù)關(guān)系的確定。
[0027] 科學(xué)原理：干支流交匯對水位的頂托作用，主要由交匯點水位在其上游一定范圍 形成回水效應(yīng)所導(dǎo)致。假定斷面A為處于回水區(qū)范圍的目標斷面，斷面B為緊鄰干支流交 匯點下游的斷面，即回水區(qū)出口斷面。依據(jù)水流連續(xù)條件和曼寧公式，斷面A、B之間落差 與流量之間關(guān)系可近似表達^
式中的糙率n、河寬W和水深h均為斷面 A附近值，L為斷面之間距離。由于斷面A附近水深可表達為h = Za-Zm，且沖積河道中存 在#歹級I，由此可將Α、β斷面之間流量~落差函數(shù)轉(zhuǎn)化為:囂誠 I，其中 Z# Q A分別為A斷面水位和流量值，Z ?^為A斷面附近主槽河床高程，K i為待定系數(shù)。當(dāng)假 定糙率η為常數(shù)時，推導(dǎo)得到指數(shù)@ = ^ 實際河道中糙率隨水深而變化，α值會在 〇. 14附近波動，對此考慮±0. 1的變幅范圍，在0. 04~0. 24之間通過試錯法確定α值。 由于出口斷面B的水位可由單一河段水位流量關(guān)系確定，因而率定參數(shù)α后，再聯(lián) 立Α、Β斷面的水位流量關(guān)系，即可得到以干、支來流為自變量的目標斷面A位置的水位流量 關(guān)系函數(shù)。
[0028] 依據(jù)以上理論原理，確定目標斷面A處水位流量關(guān)系的具體步驟為：
[0029] 步驟2. 1，流量~落差函數(shù)的參數(shù)率定。
[0030] 取斷面A處至少2年的實測日均水位Zai、實測日均流量Qai以及斷面B處的實測日 均水位Z bi同步資料。在0.04~0.24之間假定21個不同的α值，形如a "=0.04+0.01m(m =0，1，2,3，…，20)。針對每個Cini，首先利用日均水文資料計I
再通 過線性回歸擬合八"和Z Al點據(jù)之間關(guān)系Y "= K 1ηιΖΑ-(；，每次回歸計算中的相關(guān)系數(shù)平方為 蜢。21次計算過程中，相關(guān)系數(shù)平方1?達最大值時對應(yīng)的α "、K1J直，即為最終率定得到 的α和K1參數(shù)值，河床高程Z QA= C "/1^。
[0031] 步驟2. 2,回水區(qū)出口斷面水位流量關(guān)系及參數(shù)的確定。
[0032] 取斷面B處至少一年的實測日均水位Zbi、實測日均流量