水文測(cè)站流量間測(cè)可行性分析

呂樹龍

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

近年來，隨著中小河流水文站網(wǎng)建設(shè)的逐步完成，相應(yīng)的水文測(cè)驗(yàn)任務(wù)將隨之增加。在測(cè)站管理及人員配置上，將面臨諸多困難。當(dāng)前，對(duì)于水文測(cè)站流量測(cè)驗(yàn)的研究成果較多[1-8]，但是對(duì)于水文測(cè)站的流量間測(cè)研究的成果還不多見。為了人力、物力資源的有效組織與協(xié)調(diào)配置，充分利用先進(jìn)的測(cè)驗(yàn)設(shè)備與技術(shù)，結(jié)合測(cè)站的基本特性、測(cè)驗(yàn)條件，文章根據(jù)SL 195—2015《水文巡測(cè)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，以沙尖子水文站實(shí)測(cè)資料作為分析對(duì)象，尋求水文站流量間測(cè)的可行性。

1 概況

1.1 流域概況

沙尖子水文站位于鴨綠江流域渾江水系渾江干流上，渾江發(fā)源于吉林省境內(nèi)的長(zhǎng)白山支脈龍崗山南麓，是鴨綠江流域在中國(guó)一側(cè)的最大支流，在白山市三岔子鎮(zhèn)匯合后稱為渾江。全長(zhǎng)447km，總流域面積15381km2，其中遼寧省境內(nèi)流域面積6869km2，河長(zhǎng)291km。渾江坡陡流急，自然落差較大。流域內(nèi)河床穩(wěn)定，為巖石和卵石組成，河道比降2.2‰，水流湍急，洪水漲落快，屬山溪性河流。

流域多年平均降雨量在870mm左右，主要降雨集中在7—8月。形成暴雨的天氣系統(tǒng)主要為華北氣旋和臺(tái)風(fēng)。流域特定的地理位置和地形是形成暴雨的有利條件，夏季暴雨常在該流域出現(xiàn)，另外，該流域易受臺(tái)風(fēng)侵襲，發(fā)生暴雨或大暴雨。

1.2 水文測(cè)站概況

沙尖子水文站位于桓仁滿族自治縣沙尖子鎮(zhèn)金坑村，東經(jīng)125°31＇0.1″，北緯41°20＇47.3″，集水面積14863km2。為鴨綠江流域渾江水系渾江干流上游控制站，國(guó)家重要水文站，流量測(cè)驗(yàn)精度為一類。該站測(cè)驗(yàn)河段順直，左岸為沙土緩坡，右岸為巖石陡坡，河床由沙卵石組成，沖淤變化不大，測(cè)站控制良好，歷年水位流量關(guān)系為穩(wěn)定的單一曲線。

該站洪水主要由暴雨形成，暴雨多發(fā)生在6—9月，期間降水量占全年的71.7%。降水的年內(nèi)分配不均，導(dǎo)致了徑流量年內(nèi)分配也不均勻，但由于受上游金哨水利樞紐工程影響，一般汛期泄洪，受其調(diào)節(jié)影響，全年徑流量大部分集中在7—9月份，并且受下游哨口控制，斷面較穩(wěn)定，上游植被較好，河床坡降較為平緩，水清沙少。

1.3 測(cè)驗(yàn)情況

沙尖子水文站設(shè)立于1939年9月，斷面遷移兩次，分別是：1951年6月基本水尺斷面上遷150m，站名為沙尖子(二)站。2003年6月基本水尺斷面下遷8000m，站名為沙尖子(三)(壩下)站。

該站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有流量、水位、降水、蒸發(fā)、比降、懸移質(zhì)、水溫、墑情、水文調(diào)查。

該站主要測(cè)驗(yàn)設(shè)備為水文電動(dòng)纜道，主要測(cè)驗(yàn)儀器有：全站儀、水準(zhǔn)儀、水位自記儀、流速儀。

2 大斷面沖於變化分析

沙尖子水文站測(cè)驗(yàn)河段的順直段約500m，河床由沙壤土、砂礫石、巖石組成。左岸為灘地，右岸為陡坡。根據(jù)沙尖子水文站近5年(2010—2016年)實(shí)測(cè)大斷面資料點(diǎn)繪沙尖子水文站流量測(cè)驗(yàn)斷面大斷面套繪圖(圖1)，其中2014年實(shí)測(cè)大斷面未刊印，且2011年流量較小，故前推至2010年。經(jīng)計(jì)算這5年中各相鄰年份大斷面面積低水最大相差4.97m2，變幅占上一年同級(jí)水位斷面面積的1.09%；中水最大相差4.00m2，占上一年同級(jí)水位斷面面積的0.4%；高水最大相差26.7m2，占上一年同級(jí)水位面積的1.42%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，沙尖子水文站流量測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)穩(wěn)定，年際沖淤變化不大。

圖1 沙尖子站大斷面變化情況圖

表1 大斷面變化分析表

3 流量間測(cè)可行性分析

3.1 流量間測(cè)應(yīng)滿足的條件

根據(jù)SL 195—2015第4.2.6條規(guī)定，有5年以上資料的水文站，經(jīng)分析論證實(shí)測(cè)流量的相應(yīng)水位變幅已控制歷年水位變幅80%以上，歷年水位流量關(guān)系或者其他水力因素與流量的關(guān)系符合下列條件之一的，可實(shí)行間測(cè)。

(1)每年的水位流量關(guān)系曲線或單值化曲線同歷年綜合關(guān)系曲線之間最大的偏離誤差不超過巡測(cè)規(guī)范所規(guī)定的允許誤差范圍。

(2)各相鄰年份的曲線之間最大的偏離誤差不超過巡測(cè)規(guī)范所規(guī)定的允許誤差范圍。

(3)在年水位變幅的部分范圍內(nèi)，如果水位流量關(guān)系是單一線并符合巡測(cè)規(guī)范所規(guī)定條件的，可以在一年的部分水位級(jí)內(nèi)實(shí)行間測(cè)。

(4)水位流量關(guān)系復(fù)雜的，通過單值化處理，可達(dá)到巡測(cè)規(guī)范所規(guī)定的條件的。

(5)在枯水期，流量變化不大，多年枯水總量占年總量在5%以內(nèi)，且對(duì)這一時(shí)期不需要施測(cè)流量過程的。

(6)對(duì)潮流站，當(dāng)有多年資料證明潮汐要素與潮流量關(guān)系比較穩(wěn)定的。

(7)堰閘測(cè)流的流量系數(shù)多年穩(wěn)定，且不超過巡測(cè)規(guī)范所規(guī)定的允許誤差范圍的。

3.2 資料系列的選取

選取沙尖子水文站最近5年(2010，2012，2013，2015，2016)實(shí)測(cè)系列資料進(jìn)行單值化分析(其中2011年流量較小。2014年站上金哨電站沒有棄水，故沒有參加資料分析)。這5年資料中實(shí)測(cè)流量水位變幅占?xì)v年水位變幅的97.9%，且經(jīng)豐、平、枯水典型年分析，其中包括大水年2012年、枯水年2015年資料，實(shí)測(cè)流量的水位變幅已控制歷年(包括大水、枯水年份)水位變幅80%以上。因此，所選取資料符合要求。

3.3 各年關(guān)系線定線誤差

該站的水位流量關(guān)系十分穩(wěn)定，呈顯著的單一關(guān)系(圖2)。將檢測(cè)期各年實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)點(diǎn)繪在坐標(biāo)方格紙上，通過點(diǎn)群中心定一條光滑的曲線，根據(jù)水位流量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)關(guān)系線進(jìn)行三種檢驗(yàn)，并計(jì)算其隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差。計(jì)算結(jié)果詳見表2。

圖2 沙尖子站歷年水位流量關(guān)系線

表2 沙尖子站各年關(guān)系線定線誤差表

從表2中可看出，5年的隨機(jī)不確定度均不超過SL195—2015表2規(guī)定中對(duì)一類精度水文站的要求，且每年的系統(tǒng)誤差都不大于1%，因此可定為單一線。

3.4 綜合關(guān)系線定線誤差

根據(jù)沙尖子水文站水文測(cè)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料，將歷年所有的實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)全部點(diǎn)繪在坐標(biāo)方格紙上，通過點(diǎn)據(jù)中心定一條光滑的曲線(圖3)。對(duì)關(guān)系線進(jìn)行三種檢驗(yàn)及隨機(jī)不確定度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 沙尖子站綜合關(guān)系線定線誤差表

從表3中可看出，隨機(jī)不確定度為0.28%，符合SL195—2015表2規(guī)定中對(duì)一類精度水文站高水的要求，且系統(tǒng)誤差都不大于1%，因此可定為單一線。

3.5 流量間測(cè)誤差分析

按照SL195—2015有關(guān)規(guī)定，如果能證明：每年的水位流量關(guān)系線與檢測(cè)期綜合關(guān)系曲線之間的最大偏離不超過SL195—2015表8之規(guī)定，可實(shí)行流量間測(cè)。

將該站水位123.30m以下確定為枯水(枯水流量變化不大，多年枯水總量占年總量5%以內(nèi)且這一時(shí)期不需要測(cè)流)，水位123.30～126.00m確定為低水，水位126.00～131.00m為中水，水位131.00m以上為高水。對(duì)各年的水位流量關(guān)系線與綜合水位流量關(guān)系線進(jìn)行比較，計(jì)算各年關(guān)系線與綜合線的偏離值，其最大偏離值詳見表4。

表4 沙尖子站每年關(guān)系線與綜合線最大偏離值

從表4中可以看出沙尖子站在低、中、高水時(shí)每年關(guān)系線與歷年綜合線最大偏離值符合SL195—2015表8的規(guī)定，可實(shí)行間測(cè)。

4 結(jié)論

經(jīng)分析論證，沙尖子水文站歷年水位流量關(guān)系穩(wěn)定呈單一線，低、中、高水水位流量關(guān)系曲線定線符合SL195—2015規(guī)定的允許誤差，符合流量間測(cè)的有關(guān)規(guī)定，滿足間測(cè)要求，實(shí)行流量間測(cè)是可行的。若實(shí)行流量間測(cè)，應(yīng)按照規(guī)范要求進(jìn)行檢測(cè)分析。實(shí)行間測(cè)者，間測(cè)點(diǎn)應(yīng)分布于高、中、低各級(jí)水位，并必須用較高精度的測(cè)驗(yàn)方案。每次都要檢查是否超出規(guī)范規(guī)定的允許誤差范圍，如果超出允許誤差范圍，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)分析。屬于測(cè)驗(yàn)失誤，應(yīng)就地復(fù)測(cè)；屬于測(cè)站控制條件發(fā)生變化，應(yīng)增加巡測(cè)次數(shù)，采用當(dāng)年實(shí)測(cè)成果定線推流，并應(yīng)于次年恢復(fù)正常測(cè)流。當(dāng)間測(cè)期間，發(fā)生稀遇洪水，或發(fā)現(xiàn)水工程措施等人類活動(dòng)對(duì)測(cè)站控制條件有明顯影響時(shí)，應(yīng)恢復(fù)正常測(cè)流。