水电站泄流控制影响的下游水文站流量自动监测新方法研究

于岚岚

(辽宁省省河库管理服务中心(辽宁省水文局)，辽宁 沈阳 110003)

由于上游水电站泄流控制影响，其河道流量变化幅度较大，下游河道水文站测流频次受上游水电站泄流变化影响较大，汛期测流频次较大，而由于水文站测站采用人工传统测流方式，随着水电站泄流影响，其测流频率势必加大，水文测流任务也加重，对水文测流影响也较大。近些年来，对上游水电站泄流控制影响的水文测验方式得到国内许多学者的研究[1- 5]，这其中主要采用两种方式进行，第一种是结合H-ADCP[6]或者非接触式雷达[7]进行断面流量的自动监测，这种方式存在自动化程度快、测流时效性强的特点，但是由于这种测流方式主要基于断面稳定情况下进行流量的反推，对于断面冲淤变化大的河流，其适用性不高。第二种方式是建立断面水位流量关系进行流量反推[8]，这种方式经济且较为简便，但是由于受到上游河道下泄流量影响，其水位流量关系较为紊乱，虽然可以进行单值化处理，但是其操作难度较大。当前，有学者结合水文、水动力学模型进行受人为影响的城市河道流量的自动监测[9- 10]，但在水电站泄流控制影响下的河道水文测验中还未得到相关应用，为此本文结合水文、水动力模型(马斯京根模型、DHI-MIKE模型)定量识别水利工程出水量与水文站实测流量关系，由水利工程出水量推求水文站流量，建立水利工程下游河段水文站流量自动监测新方法，成果为类似水文站测流新方法提供重要的参考价值。

1 研究方法

考虑到马斯京根模型、DHI-MIKE模型在国内应用已经较为成熟，其模型原理可详见参考文献[11- 12]。考虑到模型验证指标十分重要，对各验证指标的计算方法进行介绍。

本文分别采用相关系数指标、水量误差指标、误差合格率指标、函数一致性、均方误差指标以及放水过程吻合系数指标对两个模型的流量反推精度进行分析。

(1)相关系数R。R越接近1，表明模型模拟的流量越符合实际情况。本文选择R>0.7作为模拟值与实测值相关水平的评定标准。

(1)

(2)径流总量的相对误差E(%)，当E<20%时，即为合格。

(2)

(3)合格率QR。当误差合格率满足测验精度要求时认为合格率满足要求。

(3)

(4)一致性指标d。d越接近1，表明模拟的流量越符合实际情况。

(4)

(5)均方根误差RMSE，其数值越接近0，说明模型模拟的结果越好。

(5)

2 研究成果

2.1 区域及数据概况

本文以辽宁丹东地区某电站下游河道水文站为研究实例，该水文站距离上游电站15km，受到上游电站泄流控制影响，水文站流量呈现明显的波动变化，采用传统测流方式，其水文测验任务无法完成，需要探讨流量自动推求方法，实现流量的自动监测。为此本文结合该水文站1963—2018年实测的日径流数据以及电站泄流控制数据，建立水电站出水量与水文站实测流量关系。

2.2 流量传播时间的推求

结合灰色关联模型，基于水文站流量数据系列，对河道流量传播时间进行推求，灰色速率关联值见表1。

表1 研究河段的灰色速率关联度值

从表1中可看出，研究河段的灰色速率关联度值都较大，这主要是因为河段上下游流量和水力比降具有较好的相关性，使得其传播关联速率值均较大。从各时间尺度下的灰色速度关联值分析结果可看出，各月份下对应的日系列中的灰色速度关联值均最大，因此，该河段水文站传播的时间尺度为日尺度，可以进行日平均流量的反推计算。

2.3 马斯京根模型模拟结果

在传播时间确定的基础上，采用马斯京根对该河段下游流量进行演算，模型评定结果见表2，并建立水电站出流与流量的相关函数，函数表达式的精度评定结果见表3。

表2 马斯京根日模型精度评定结果

表3 水电站出流与流量相关函数表达式精度评定结果

结合水电站泄流数据，建立泄流数据和水文站实测流量的相关关系，相关关系方程为y=0.8488x+1.7235。结合该相关关系，模拟得到不同时间尺度下水文站测验断面的日平均流量。从表2中可看出，马斯京根模型模拟值和实测值之间的相关系数总体可0.8以上，各时间段下的径流深误差小于10%，模拟合格率也均在70%以上，模拟精度达到水文测验的相关规范要求。从构建的函数表达式评定结果可看出，各函数表达式下的一致性指标都在1.0附近，均方根误差趋近于0，因此可看出各表达式的精度评定值符合测验标准。

2.4 MIKE模型模拟结果

采用MIKE模型分析其模拟的精度，考虑到糙率影响，分析不同糙率值变化下日径流模拟精度，结果见表4，并建立该模型下水电站出流与流量的相关函数，函数表达式的精度评定结果见表5。

表4 不同糙率下影响下日流量模拟精度评定结果

表5 水电站出流与流量相关函数表达式精度评定结果

从表4中可看出，糙率对日平均流量模拟的影响较大，结合泄流数据和水文站实测流量的相关关系方程为y=0.8488x+1.7235，推求MIKE模型不同糙率下的日平均径流模拟结果。从评定结果可看出，相关系数R以及一致性指标值均较高，其他评定指标也符合水文测验的规范要求。通过对区域河道糙率的综合分析，选定其综合糙率值为0.029为断面的最优糙率变化值。从表5中各函数表达式的可看出，MIKE模型下各函数表达式下模拟的相关系数均在0.8以上，径流中的相对误差控制在10%以内，各时间段模拟的合格率可以达到75%以上，精度均符合水文测验的规范要求，其一致性指标趋近于1.0，均方误差均在0.3以内，MIKE模型也可满足其水文测验流量的精度要求。

2.5 各模型模拟方案优选

为对各模型模拟方案进行优选，对不同模型时间段下的精度进行对比，模型模拟方案优选结果见表6。

表6 不同模型日平均流量模拟精度评定结果

从表6中可看出，各时间段下MIKE模型的总体合格率好于马斯京根模型，这主要是因为MIKE模型可考虑河道糙率和断面形态的综合影响，而马斯京根模型不能考虑河道糙率的影响，因此流量模拟精度要低于MIKE模型，特别是对于山区型河流，MIKE模型总体模拟精度要好于马斯京根模型。但是MIKE模型由于需要的河道地形数据较多，因此在缺少道地形数据的区域其适用性不高，还需要选择马斯京根模型进行计算。

3 结论

(1)在河道地形数据较为全面的区域可综合考虑糙率和河道断面形态综合影响的MIKE模型，用来演算受水电站泄流控制影响下的水文站流量自动监测，但在河道地形数据缺乏的区域具有一定的使用限制。

(2)由于只考虑了单一水电站泄流控制影响下水文站的流量推求，而未能考虑受到电站群影响下的流量自动监测，在以后的研究中还需要重点考虑电站群控制影响下的水文测验方式研究。