陳河水文站代表垂線平均流速與斷面平均流速關(guān)系分析

董禮瑋

（陜西省西安水文水資源勘測(cè)局 陜西 西安 710100）

1 流域概況

1.1 河流及地形地貌

黑河屬秦嶺北麓山溪性河流，發(fā)源于秦嶺主峰太白山，流域內(nèi)植被良好，為秦嶺林區(qū)，森林覆蓋率為46%。流域總面積2258km2，平均比降為8.77‰。流域內(nèi)較大支流由南向北分別為大蟒河、板房子河、虎豹河、王家河、田峪河等。流域內(nèi)地勢(shì)南高北低，自西南向東北傾斜，上游為秦嶺山區(qū)，中游為秦嶺山前洪積裙，下游為渭河一級(jí)階地。屬山溪性河流，洪水主要由暴雨形成，洪峰漲落急劇，沙峰一般與水峰相對(duì)應(yīng)。含沙量小，水無污染，符合國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，是西安市城市水源地。

1.2 水利工程情況

1999年在黑河北緯34°03′，東經(jīng)108°13′處攔河建成有效庫容為1.75×108m3的黑河金盆水庫水利樞紐，主要任務(wù)為向西安市城市供水及周邊2.47×104km2灌區(qū)供水。本世紀(jì)初，流域內(nèi)先后建成水力發(fā)電站兩處。

1.3 設(shè)站及斷面控制情況

陳河水文站始建于1996年，設(shè)立初主要為黑河水庫工程建設(shè)服務(wù)，屬專用水文站，2005年納入國家基本站網(wǎng)，成為基本水文站。地處陜西省西安市周至縣陳河鄉(xiāng)木江河村，地理位置為北緯33°58′23″，東經(jīng)108°09′52″。集水面積1380km2，距河口里程53km，基本斷面距金盆水庫大壩約12.5km。測(cè)驗(yàn)河段順直長度約為210m，斷面呈“U”型。河床由卵、塊石組成，右岸為山崖，左岸是石崖，高水控制好。主槽在左邊，右邊為灘地?；舅邤嗝嫦掠?00m有木江河支流匯入，在高庫容和下游支流漲水時(shí)對(duì)測(cè)驗(yàn)河段水流有頂托影響。

2 流量測(cè)驗(yàn)、整編情況

2.1 流量測(cè)驗(yàn)

陳河水文站自1996年設(shè)立至2006年，流量測(cè)驗(yàn)：低水涉水施測(cè)，中、高水中泓浮標(biāo)施測(cè)。2006年6月建成一套半自動(dòng)纜道測(cè)流系統(tǒng)，中、高水改用纜道施測(cè)。該流域洪水主要由暴雨形成，洪峰漲落急劇，漲峰尤為急劇，每分鐘可達(dá)2m左右。加之流速大，高水漂浮物較多，無疑給搶測(cè)流量過程增加了人為的測(cè)驗(yàn)困難。因此，想找到一種比較簡單的，適合在陳河中高水環(huán)境下的實(shí)測(cè)替代方法，找出替代方法和正常步驟測(cè)流之間的關(guān)系。通過公式來計(jì)算，以方便測(cè)站人員在中高水流量測(cè)驗(yàn)中減少勞動(dòng)強(qiáng)度，較好的完成工作任務(wù)，并且可以更好的控制洪峰過程。

2.2 整編定線

由于該站測(cè)驗(yàn)斷面以下為黑河金盆水庫，在高庫容和下游支流漲水對(duì)測(cè)驗(yàn)河段水流頂托影響下，測(cè)驗(yàn)斷面沖淤變化較大，全年采用連時(shí)序法、臨時(shí)曲線法聯(lián)合定線推流。該方法整編定線的基本原則：一是要求流量測(cè)次足夠多，且分布合理。二是必須完整控制水位流量關(guān)系變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，不應(yīng)出現(xiàn)缺測(cè)、漏測(cè)。三是保證單次流量測(cè)驗(yàn)精度。若該站在水流漲落率劇烈影響下，依然采用常測(cè)法測(cè)驗(yàn)方案布控流量過程和峰谷轉(zhuǎn)折點(diǎn)，受測(cè)速總歷時(shí)制約，必然影響流量測(cè)次分布，降低定線推流精度。

3 垂線、斷面平均流速關(guān)系分析

為提高單次流量測(cè)驗(yàn)精度，縮短流速測(cè)驗(yàn)歷時(shí)，適時(shí)控制流量漲落過程及峰谷轉(zhuǎn)折點(diǎn)，本文共收集了該站2014年，實(shí)測(cè)流量10m3/s以上的45次實(shí)測(cè)流量的斷面平均流速，代表垂線（起點(diǎn)距30.0m處）平均流速實(shí)測(cè)資料（見表1），水位變幅在601.42m～604.74m。并據(jù)此進(jìn)行測(cè)驗(yàn)斷面簡化流速垂線的分析。

3.1 簡化流速垂線分析

根據(jù)實(shí)測(cè)資料繪制垂線平均流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系圖（見圖1）。得出起點(diǎn)距30.0m處的垂線平均流速與

斷面平均流速具有良好的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98以上。平均流速相關(guān)關(guān)系式為：

表1 起點(diǎn)距30.0m垂線平均流速（V代）、斷面平均流速（V斷）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 流量誤差計(jì)算表

所以，此垂線可作為施測(cè)斷面平均流速的代表垂線。

圖1 垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系

3.2 關(guān)系線誤差評(píng)定

由定線誤差評(píng)定表（表2）可以看出，實(shí)測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線無明顯系統(tǒng)偏離，45次實(shí)測(cè)流量和計(jì)算流量相對(duì)誤差均不偏離10%。相對(duì)誤差均值為-0.15%，符合單一曲線定線精度指標(biāo)。

3.3 關(guān)系曲線三種檢驗(yàn)（根據(jù)陳河站流量三類精度檢驗(yàn)）

三種檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差按照《水文資料整編規(guī)范》有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見表3。由表3可以看出，三種檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求。

3.4 關(guān)系曲線擬合公式

式中：V斷——斷面平均流速，m/s；

V垂線——起點(diǎn)距30.0m處垂線平均流速，m/s。

3.5 公式適用范圍

采用起點(diǎn)距30m處代表垂線平均流速（V垂線）適用條件如下：

（1）流速適用范圍：1.6m/s≤V垂線≤4.06 m/s。

（2）流量適用范圍：14.6m3/s≤Q≤459m3/s。

（3）在中高水情況下，該公式具有良好的適用性。

4 結(jié)語

通過簡化流速垂線分析及分析結(jié)果，該站單次流量的斷面平均流速測(cè)驗(yàn)可簡化為只施測(cè)起點(diǎn)距30.0m處垂線平均流速，并利用擬合公式計(jì)算出斷面平均流速，乘以相應(yīng)的過水?dāng)嗝婷娣e的方法計(jì)算相應(yīng)單次流量。采用代表垂線法施測(cè)斷面平均流速，可將多條測(cè)速垂線簡化至1條，故此實(shí)測(cè)斷面平均流速的所用的時(shí)間可以大大縮短，這無疑保證了搶測(cè)洪水流量過程（尤其是峰谷轉(zhuǎn)折點(diǎn)）的測(cè)驗(yàn)時(shí)機(jī)，而且也能節(jié)省人力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度?！?/p>