1 天然河道水位流量关系的特点及其应用

水文观测资料证明，河道中任何断面的水位与流量关系都不是单一曲线，而是一多值对应的曲线族。对同一场洪水过程而言，在来水流量持续增加的涨水期，由于下游河道槽蓄作用使水位升高滞后于流量增加；而在来水流量逐渐减少的退水期，同样因下游河槽作用使水位下降滞后于流量减少。故对同一流量而言，退水段水位流量关系曲线较涨水段高，每一次洪水过程的水位流量关系是流量与水位成双值对应的“绳套”状。“绳套”的位置和张开度不仅与该次洪水特性有关，还与前期水文条件有关。若前期发生过较大洪水，河槽刷深，“绳套”位置较低；若前期连续干旱，河道部分淤高，“绳套”位置较高；若该次洪水历时较长和总量较大，“绳套”的张开度较小；反之则张开度较大。如果只分析较低水位部分的水位流量关系，会发现这是在一定范围内的无确定相关关系的点群，规律性更差。图1为海南龙塘水文站在20世纪70年代三次洪水的水位（Z）流量（Q）过程线。由图可见，因当时该水文站所在河段的河床相对稳定，“绳套”位置变化不大；这几次洪水总量较大，“绳套”的张开度小，位置亦较低。

图1 海南龙塘站20世纪70年代洪水的水位流量关系

20世纪最后的十多年中，河砂大量被开采，有些河段的年开采量超过自然补给量10倍以上；加上部分水土流失严重地区已受一定的控制，来砂开始减少，河床普遍下切，河道水位亦普遍降低。图2为广东省水文局点绘出的20世纪80年代中期以来化州水文站几次较大洪水过程的水位流量关系“绳套”。由图2可见，1991—2001年的10年间，化州水文站的水位降低近2m，这是广东省江河普遍存在的现象。笔者在1990年参加普宁市乌石拦河坝改建工程审查时，当地技术人员已反映，榕江下游近年因河砂被大量采挖，河床下切，河道水位已下降且仍在发展，要求将根据前期实测断面推算出的下游水位流量关系曲线降低2m作为设计依据，但当时大家对过量采砂引起河槽下切和水位降低的趋势未有足够的认识，仅同意将计算的水位流量关系曲线降低1m。在确定消力池底高程和长度时，笔者曾将对消力池设计影响最大的、被审查单位确认的下游水位流量关系曲线中的中小流量部分再降低1.5m进行复核，水跃淹没系数仍大于1.1。然而，到90年代末，在中、枯水流量时，该工程下游实际发生的尾水位已较设计值低约6m，被迫再建二级消力池。与此同时，由于河床普遍下切，广东省内很多建于沙基上的拦河闸坝都因尾水位降低，消能功发生不同程度破坏，成批地进行改建和加固。

图2 广东省化州水文站1987年后的洪水水位流量关系

这些沉痛的教训说明：我们与之打交道的江河有其自身独特的客观规律，这些客观规律的表现形式之一，就是水位流量关系不是固定的单值曲线，它不仅是会随水文条件变化而变化，还会随着社会经济发展和人类活动的变化而变化，是多值对应的曲线族。如果不了解河流的这些固有特性，不分析它的变化规律和可能对工程产生的不利影响，建成的工程往往不可能完整、健康和长寿，损毁和事故不断产生，需不断进行加固和维修。