半江垂線代表線法流量測(cè)驗(yàn)分析

柳 恒，馬文喜 ，吳高莊,王化鑫

（松遼委水文局黑龍江上游局，黑龍江 黑河 164300）

1 測(cè)站及流量測(cè)驗(yàn)情況

上馬廠水文站位于澤雅河口上游9.8 km處，是黑龍江干流澤雅河口上游控制站?？▊惿秸舅恼疚挥跐裳藕涌谙掠?8.9 km處，是黑龍江干流澤雅河口下游控制站。兩站均為國家基本水文站。

黑龍江屬于季節(jié)性河流，封凍期近半年。每年10月上旬上游出現(xiàn)初冰，中游10月下旬始見初冰。翌年4月中下旬先中游后上游解凍。封凍期上游160 d以上，中游140～160 d。封凍期在測(cè)流斷面上從左岸到右岸布置若干固定位置測(cè)孔施測(cè)流量，封凍期每個(gè)測(cè)站流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)在15次左右。流量測(cè)驗(yàn)均按照GB50179-93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的相關(guān)要求執(zhí)行。

2 封凍期流量測(cè)驗(yàn)方案

為了解決封凍期不能過江開展流量測(cè)驗(yàn)工作，提出了通過在中方一側(cè)選取垂線代表線，利用某種關(guān)系解決全斷面流量測(cè)驗(yàn)問題，從而有效延長實(shí)測(cè)資料系列。通過分析歷史資料，選取中國側(cè)半江具有代表性的測(cè)速（測(cè)深）垂線計(jì)算出半江流量，建立半江流量和全斷面流量相關(guān)關(guān)系，這種方法即為半江垂線代表線法流量測(cè)驗(yàn)。這種測(cè)驗(yàn)方案的關(guān)鍵是找出能夠建立半江流量和全斷面流量相關(guān)關(guān)系的具有代表性的測(cè)速（測(cè)深）垂線。一旦確定出代表性垂線，流量測(cè)驗(yàn)就變?yōu)槭y(cè)中國側(cè)有代表性的垂線，然后根據(jù)關(guān)系式推流定線。

3 封凍期流量測(cè)驗(yàn)方案分析

3．1 資料選取

資料選用2005—2009年共5年上馬廠、卡倫山兩站的實(shí)測(cè)流量資料，各74次。上馬廠站最大流量為255 m3/s,最小流量34.1 m3/s，流量變幅220.9 m3/s；卡倫山站最大流量為1 060 m3/s,最小流量660 m3/s，流量變幅400 m3/s。

3．2 資料分析

利用每個(gè)測(cè)次的部分流量和全斷面流量建立關(guān)系，試圖找出其中的相關(guān)關(guān)系，然后對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢驗(yàn)和誤差分析，確定是否滿足流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范的各項(xiàng)要求。

如果把斷面出流量作為一個(gè)模型來處理的話，涉及到的模型因子主要有：斷面穩(wěn)定情況、水深、水浸冰厚、流速。下面對(duì)這幾方面情況進(jìn)行分析。

1）歷年斷面河床的穩(wěn)定情況

分別選取兩站建站以來5年的大斷面資料繪制斷面圖，兩站的斷面河床自建站以來很穩(wěn)定，沖淤變化很小。卡倫山站起點(diǎn)距在250～500 m之間略有沖淤變化，總體趨于平穩(wěn)。

2）斷面垂線流速、水深、水浸冰厚分布情況

選取有代表性的測(cè)次，建立斷面垂線流速、水深、水浸冰厚分布情況圖，見圖1。

圖1 斷面各垂線平均流速、水深、水浸冰厚分布圖

從圖1看出，兩站封凍期水浸冰厚大小沿整個(gè)測(cè)流斷面橫向變化起伏不大，兩岸邊的水浸冰厚較厚，河流中泓部分水浸冰厚大小相差不大；流速小時(shí)水浸冰厚稍大，流速大時(shí)水浸冰厚小。流速的變化表現(xiàn)在水深大流速也大，中泓的地方流速大，同時(shí)水浸冰厚大流速就小。這些變化規(guī)律完全符合水文要素之間變化規(guī)律。需要說明的是，分析發(fā)現(xiàn)兩站斷面垂線流速、水深、水浸冰厚分布情況圖的這種趨勢(shì)體現(xiàn)了整個(gè)封凍期的變化情況，尤其是穩(wěn)定的封凍期。由此可見封凍期斷面垂線流速、水深、水浸冰厚大小變化相互影響，符合水文規(guī)律。同時(shí)也體現(xiàn)出封凍期來水少，各站水位變化小，各水文因素系統(tǒng)變化一致，沒有大幅波動(dòng)。

3）斷面平均流速與垂線平均流速的分布情況

根據(jù)選取測(cè)次的全斷面平均流速與各垂線的流速建立關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 流速分布圖

從圖2看出上馬廠站所有18條測(cè)速垂線中大于斷面平均流速的部分有2股，分別在4—9號(hào)孔之間以及15—17號(hào)孔之間；卡倫山站所有22條測(cè)速垂線中大于斷面平均流速的部分集中在中泓部分的5—10號(hào)孔之間。這種分布情況在整個(gè)封凍期表現(xiàn)很穩(wěn)定，在所選全部流量測(cè)次資料中兩站垂線平均流速大于斷面平均流速的測(cè)速垂線數(shù)占全部測(cè)速垂線的百分?jǐn)?shù)均趨近50%。

3．3 垂線代表線的選取

通過上面的分析，上馬廠站半江的1—6號(hào)孔的測(cè)速垂線流速大于斷面平均流速的垂線數(shù)百分比很穩(wěn)定，約為15%，而且大于斷面平均流速的半江垂線數(shù)大多為2條且固定為5號(hào)、6號(hào)孔，有3條的時(shí)候增加一個(gè)4號(hào)孔。上馬廠站選取1—6號(hào)孔作為垂線代表線。

卡倫山站半江的1—10號(hào)孔的測(cè)速垂線流速大于斷面平均流速的垂線數(shù)百分比平均約為30%，主要分布在中泓部分的5—10號(hào)孔之間；有時(shí)在水位高、冰厚薄的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)右岸的1號(hào)和2號(hào)孔垂線流速也大于斷面平均流速的情況?？▊惿秸具x取1—10號(hào)孔作為垂線代表線。

3．4 半江垂線代表線流量與全斷面流量關(guān)系

選取兩站2005－2009年全部測(cè)次資料，取每個(gè)測(cè)次垂線代表線所得半江流量與該測(cè)次全斷面流量建立相關(guān)關(guān)系，根據(jù)實(shí)測(cè)流量資料得出兩站半江流量與全斷面流量相關(guān)關(guān)系式分別為：y=3.322 x+17.19和y=1.740 x+22.35，式中y代表全斷面流量、x代表半江流量。

3．5 流量關(guān)系線檢驗(yàn)

以上面擬定的流量相關(guān)線作為標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系線，做定線精度檢驗(yàn)。從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，上馬廠、卡倫山站所有誤差檢驗(yàn)指標(biāo)均符合一類精度水文站的流量關(guān)系定線精度標(biāo)準(zhǔn)。兩站檢驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 兩站流量關(guān)系線定線精度檢驗(yàn)成果表

4 封凍期流量測(cè)驗(yàn)方案論證

選取近5年（2005—2009年）兩站封凍期所有實(shí)測(cè)流量資料。根據(jù)各站建立的流量相關(guān)關(guān)系式，取用實(shí)測(cè)的半江垂線代表線流量推求全斷面流量。根據(jù)求得全斷面流量、計(jì)算封凍期流量改正系數(shù)K值進(jìn)行定線推流。由半江垂線代表線流量建立的相關(guān)關(guān)系式所推求的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行各站各年水文資料整編，分析使用這種半江垂線代表線流量測(cè)驗(yàn)方法和常規(guī)的流量測(cè)驗(yàn)方法所得流量數(shù)據(jù)進(jìn)行各站水文資料整編的精度情況。

下面是兩站2005—2009年使用半江垂線代表線法計(jì)算的全斷面流量和常規(guī)的流量測(cè)驗(yàn)方法所得流量進(jìn)行資料整編后所得各年平均流量和徑流量的比較情況。從表2、表3中可以看出通過兩種方法所得兩站流量和徑流量基本差別不大，僅2005年的年平均流量最大相對(duì)誤差約為2%，年徑流量最大相對(duì)誤差約為2%。均滿足資料整編規(guī)范精度要求。

表2 上馬廠站流量、徑流量比較

5 結(jié) 語

黑龍江屬于國際性大河流，中俄界河，水量豐沛，收集它的水文資料對(duì)于我國未來水利事業(yè)發(fā)展愈顯重要。尤其是目前黑龍江干流水文資料系列僅為22年。利用半江垂線代表線分析建立的流量關(guān)系能滿足水文資料的定線、推流要求，在特殊的情況下能保證水文測(cè)驗(yàn)工作繼續(xù)開展，保證水文資料的連續(xù)性。實(shí)施半江垂線代表線法流量測(cè)驗(yàn)屬于流量測(cè)驗(yàn)的一種精簡技術(shù)，在滿足精度要求的同時(shí)可以節(jié)省一定量的人力、財(cái)力投入。

表3 卡倫山站流量、徑流量比較

半江垂線代表線法流量測(cè)驗(yàn)分析來源于冰期定點(diǎn)式流量測(cè)驗(yàn)，依據(jù)冰期影響河流斷面流量各要素系統(tǒng)隨時(shí)間變化穩(wěn)定的特征。對(duì)于北方結(jié)冰河流流量測(cè)流方法提出新的思路，有一定參考價(jià)值。