炎陵水文站巡測方案再精簡對流量精度的影響分析

李玉芳

（株洲水文站　株洲市　412000）

李林華

（株洲水文水資源勘測局　株洲市　412000）

炎陵水文站巡測方案再精簡對流量精度的影響分析

李玉芳

（株洲水文站株洲市412000）

李林華

（株洲水文水資源勘測局株洲市412000）

文章對炎陵水文站現(xiàn)行的巡測技術(shù)方案外延式驗證、巡測測次再適當(dāng)減少后流量誤差的允許范圍及巡測前后資料精度的一致性穩(wěn)定性這三個方面進(jìn)行了分析論證。從分析計算結(jié)果來看，該水文站的流量測驗斷面比較穩(wěn)定，巡測方案適合，流量測次還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p少，精簡后流量資料的連續(xù)性與一致性分析中也未出現(xiàn)明顯變化。說明炎陵水文站原巡測方案是可行的，流量測次適當(dāng)減少后對資料精度的影響也基本上在巡測技術(shù)規(guī)范之內(nèi)。

流量巡測再精簡精度分析誤差

1　問題提出

炎陵水文站受涉水工程影響的程度較輕，所在流域的下墊面狀況改變也較少，原流量巡測方案因涉水工程等影響亦未改變其控制條件，2013年底對原巡測方案進(jìn)行了外延式三線檢驗分析驗證，其結(jié)論是：不需要進(jìn)行調(diào)整。在此基礎(chǔ)上，本文對原巡測方案再次進(jìn)行了精簡，經(jīng)分析其相對誤差較少，基本上能達(dá)到流量資料整編規(guī)范精度要求。特別是在平水期，每月可以再適當(dāng)減少流量測次，即每兩個月實測2～3次，這樣再減少近1/3流量測次，全年30次左右的測次可以減少到20次左右，為實現(xiàn)區(qū)域巡測提供良好的技術(shù)支撐。

2　測站基本情況

炎陵水文站位于湖南省炎陵縣霞陽鎮(zhèn)五里牌村，東經(jīng)113°44′，北緯26°29′。1959年1月1日設(shè)立，集水面積814 km2，是湘東山區(qū)代表站，屬國家二類精度站?，F(xiàn)有測驗項目：水位、流量、降水量、蒸發(fā)量，上游有5個配套雨量站。另附帶管理斜瀨水2個雨量站。該站測驗河段順直長約400 m，斷面呈“W”型，縱向呈喇叭狀向下游擴(kuò)散。基本斷面上、下游200 m處各有急彎灘起測站控制作用，控制良好。河床右岸為巖石，左岸為沙、粘土及稻田；河床自上比降起為倒坡河床，由沙卵石組成，基本穩(wěn)定，大洪水時稍有沖淤變化?；緮嗝嫔嫌渭s2 000 m處，右岸有城關(guān)支流匯入，并建有800 kW小電站一座，開、閉閘門對低水位有一定影響。

3　原巡測方案及外延驗證

3.1原巡測方案

自1959年設(shè)站至1972年以前該站流量每年采用單一曲線法整編，1972年后由于站房旁建有縣造紙廠，每年大量的爐渣等工業(yè)廢料倒入基本斷面下游約80 m處右岸河道內(nèi)，一般洪水時爐渣等工業(yè)廢料被沖至下游控制河段彎道處淤積起來，遇高洪水位時又被洪水沖走，所以，1972年以后每年都是臨時曲線法整編。其間有1972年、1975年、1976年作者簡介：李玉芳（1974-），女，助理工程師，從事水文監(jiān)測與分析；李林華（1964-），男，高級工程師，從事水文監(jiān)測與水資源分析研究。1984年、1985年、1997年各出現(xiàn)1次繩套，各次繩套漲落支線偏離均在5%內(nèi)，經(jīng)分析，該站出現(xiàn)繩套的主要原因是控制斷面沖淤變化，而與洪水高低和漲落率大小關(guān)系并不明顯，也可做兩根臨時曲線處理。1989年，經(jīng)原湖南省水文總站批準(zhǔn)，從當(dāng)年起實行流量間測，停3年測1年，停測年份采用歷年綜合線推流。1991年株洲地區(qū)所屬測站重新進(jìn)行站隊結(jié)合巡測分析時，對該站原停3年測1年改為全水位變幅巡測，水位在87.00 m以下按巡測點據(jù)定線推流，以上采用歷年綜全線推流。1992年7月6日該站發(fā)生當(dāng)時建站以來最高洪水（92.34 m），洪水導(dǎo)致控制斷面嚴(yán)重淤積，1992年后各年的水位流量關(guān)系曲線都比1991年以前的歷年綜合線偏少。從1992～ 1998年恢復(fù)常規(guī)測驗。

1998年對炎陵水文站1992～1997年實測資料重新進(jìn)行分析，經(jīng)批準(zhǔn)，自1999年起，流量測驗按巡測方案要求，全年實行巡測，每半月測流1次。各級水位流量測點均勻布置，全年測好1次較大洪水過程。該方案實施至今。

3.2對原巡測方案外延驗證

根據(jù)規(guī)范規(guī)定對水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行符號檢驗、適應(yīng)性檢驗和偏離數(shù)值檢驗。利用2008～2012年實測流量資料成果，各年水位流量關(guān)系情況統(tǒng)計如表1。

表1　2008年～2012年水位流量關(guān)系曲線檢驗計算成果匯總表

從表1可以看出，2008～2012年定線完全符合水文巡測規(guī)范要求，說明流量測點年內(nèi)離散程度較小。

3.32008～2012年各年水位流量關(guān)系曲線對比分析

本文目的為驗證炎陵站原有流量巡測方案是否適用。為此，將各年水位流量關(guān)系曲線點繪在一張圖上，從而掌握各年際間水位流量關(guān)系曲線變化趨勢，該站2008～2012年各年水位流量關(guān)系曲線見圖1。

圖1　炎陵站2008～2012年水位流量關(guān)系曲線圖

從圖1可以看出，2007～2009年3年水位流量關(guān)系變化較大，主要是2007年該站出現(xiàn)設(shè)站來最大洪水，斷面被沖刷，因此2008年水位流量關(guān)系線在90.00 m以下較2007年偏大，90.00 m以上因為基下350 m處，一民營企業(yè)進(jìn)行廠房改造，大量泥土及紅磚等雜物堆積河中，影響流量顯著偏少，故2008年關(guān)系線與2007年線約在89.5 m處交叉。2010年11月11月2日后，由于炎陵縣修建衡茶吉鐵路和岳汝高速，需大量河砂，部份民工在該站控制斷面下游挖沙，引起枯水流速明顯偏大，形成臨時2線。除上述人為因素引起水位流量關(guān)系變化外，從2009年起，線與線間基本接近，部分水位線重合，特別是2011年度與2012年水位流量關(guān)系基本重合。

本文對2008～2012年各年水位流量關(guān)系曲線分別進(jìn)行了三線檢驗，檢驗結(jié)果滿足規(guī)范和巡測方案要求。炎陵站現(xiàn)有巡測方案實用可靠，精度滿足規(guī)范要求。

4　原巡測方案再精簡分析

4.1再精簡的原則與方法

按隨機(jī)抽取的原則，該站年總測次在30次左右，每月施測2次，因此本次分析選取2個樣本系列，水位流量關(guān)系線進(jìn)行三線檢驗通過后推求年逐日水位流量值，然后與原整編流量進(jìn)行誤差分析。在隨機(jī)抽取樣本中，如果未抽取到年最大、最小測次流量，則增加至樣本系列中。

4.2誤差統(tǒng)計

根據(jù)該站巡測成果資料分析，流量再次精減1/3測次，隨機(jī)做出2個樣本，進(jìn)行分析統(tǒng)計，其計算結(jié)果見表2與表3。

根據(jù)《水文巡測規(guī)范》表4.3.3和表4.3.5允許誤差指標(biāo)要求，其年總量、次洪總量、以及枯水期誤差基本上在其允許誤差范圍內(nèi)（個別年份有部分誤差指標(biāo)超出其允許范圍）?？傮w上來說，該站再次精減少量測次是可行的，能滿足現(xiàn)行巡測規(guī)范要求。

表2　炎陵站樣本1特征值誤差分析統(tǒng)計表%

表3　炎陵站樣本2特征值誤差分析統(tǒng)計表%

4.3大斷面變化分析

該站河床基本穩(wěn)定，歷年大斷面變化綜合曲線基本比較穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的沖淤現(xiàn)象，見圖2。

圖2　炎陵水文站多年大斷面綜合圖

5　巡測前后精度一致性分析

本文采用突變分析法、趨勢性分析法來判斷測驗方法改變前后水沙變化一致性狀況。本文取1990～2010年21年間巡測前后年平均流量資料為分析樣本。

5.1突變分析法

本文運用Mann-Kendall法。該方法以時間序列平穩(wěn)為前提，并且該序列是隨機(jī)獨立的，其概率分布等同。在其原假設(shè)T0：時間序列沒有變化情況下，此序列為：i

式（1）中mi為第i個樣本xi大于xj（1≦j≦i）的累積數(shù)。

在原序列的隨機(jī)獨立等假設(shè)下，dk的均值和方差分別為：

dk將標(biāo)準(zhǔn)化：

給定一顯著性水平值α0，當(dāng)α1〉α0時,拒絕原假設(shè)，表示序列將存在一個強(qiáng)的增加或減少趨勢。所有u（dk）（1≦k≦N）將組成一條曲線，當(dāng)曲線超過信度線（本文分析取α0=0.01，相應(yīng)地信度值范圍為：-2.58～2.58），即表示存在明顯變化趨勢。把此法引入到反序列中，得到另一條曲線，如果正反曲線交叉占位于信度線之間，這點便是突變點的開始。本文選取該站1999年實行巡測方案前后各10年資料（即1990～2010年）進(jìn)行精度一致性分析，計算結(jié)果如下。該站年徑量未出現(xiàn)突變現(xiàn)象，說明巡測方案改變前后測驗方式與流量精度比較一致，而且波動范圍比較小。見圖3。

圖3　波動變化曲線

5.2趨勢分析法

本文采用累加濾波器法，它能反映時間序列定性趨勢。其基本計算公式為：

式中Sx均——累計平均值；

xi——水文時間系列值；

x均——水文時間系列均值；

k=1，2，3，…，n（n為水文時間系的長度）；

i=1，2，3，…，k。

從該站流量累計平均過程曲線可知，其累積濾波器法顯示，該站徑流量1990～2010年總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢，而之后2002年后出現(xiàn)微弱波動下降勢態(tài)并趨于穩(wěn)定。說明與巡測方案實施沒有什么關(guān)聯(lián)（圖4）。

圖4　炎陵水文站年均流量累計平均曲線圖

6　結(jié)論

從對炎陵水文站現(xiàn)行的巡測技術(shù)方案外延式驗證、巡測測次再適當(dāng)減少后的流量誤差的允許范圍到巡測前后資料精度的一致性穩(wěn)定性三個方面進(jìn)行了分析論證。從分析計算結(jié)果來看，該水文站的流量測驗斷面比較穩(wěn)定，巡測方案適合，流量測次還可以進(jìn)行適當(dāng)減少，精簡后流量資料的連續(xù)性與一致性分析中也未出現(xiàn)明顯變化，說明炎陵水文站原巡測方案是可行的，流量測次適當(dāng)減少后對資料精度的影響也基本上在巡測技術(shù)規(guī)范之內(nèi)。

（2016-02-10）