州川河吉縣水文站優(yōu)化測(cè)報(bào)方案可行性分析

張麗娟 曹鴿琴

（黃河水利委員會(huì)中游水文水資源局，山西 晉中 030600）

1 水文站概況

吉縣水文站是州川河的出口站，1958年10月15日設(shè)立，位于山西省吉縣吉昌鎮(zhèn)西關(guān)村，控制集水面積436 km2，至河口距離23 km，是國(guó)家基本水文站，隸屬于黃委會(huì)中游水文水資源局。

為了更好地適應(yīng)水文事業(yè)的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水文站水文測(cè)報(bào)的需求，在“水文站功能不改變、水文測(cè)報(bào)精度不降低、整編資料滿足規(guī)范要求、技術(shù)方法適度超前”的原則下，對(duì)該站進(jìn)行優(yōu)化分析，做到以人為本、提高效益的目的。

2 水文站河道及水沙特性

2.1 測(cè)驗(yàn)河段及斷面情況

吉縣水文站測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)度約500 m，河基上43 m處有鋼橋1座；河基下300 m處有滾水壩1座，高水位時(shí)對(duì)測(cè)驗(yàn)有一定影響。河段略呈擴(kuò)散型，測(cè)站控制為河槽控制。河床主要由砂卵石、細(xì)沙組成，左、右岸均為石砌護(hù)岸。斷面沖淤變化不大。河槽呈U型，底部較寬，在基本水尺斷面，距30.0 m左岸起點(diǎn)，右岸32.5 m處建有測(cè)流槽，其寬度2.5 m，高度為1.0 m，順河長(zhǎng)度6 m，底部高程5.98 m，頂部高程6.98 m。該站測(cè)流槽于2015年5月3日開始修建，5月16日竣工，于當(dāng)年6月開始投入使用。測(cè)流槽曲線已經(jīng)率定，測(cè)流槽測(cè)流能力為8.27 m3/s。

2.2 測(cè)站水、流、沙變化主要特性

該站洪水主要來(lái)源于馬家河、柏坡底川及曹井川，由暴雨形成。平水水位變化平緩，較大洪水一般出現(xiàn)在7～8月份，洪水時(shí)漲落變化急劇，含沙量大，峰型尖廋，沙峰一般滯后于水峰。主流較穩(wěn)定，大部分在30～32.5 m處，漂浮物、水草較多，水面起伏度小。洪水水位、流量、泥沙基本相對(duì)應(yīng)，水位流量關(guān)系曲線一般為順時(shí)針繩套形，但繩套的兩支線間的間距很小，一般為2～3 cm，有時(shí)為單一線。

3 資料的選用情況

3.1 資料的選用

本文分析研究的資料，主要來(lái)自《中華人民共和國(guó)水文年鑒》。90年代，水文年鑒?？陂g，水文資料的搜集來(lái)源于黃委會(huì)中游水文水資源局檔案部門的水文資料正本。搜集的水文資料包括吉縣水文站1959—2017年資料，主要是洪水期間的有關(guān)資料。

斷面的變化對(duì)歷年水位～流量點(diǎn)群分布有一定影響，經(jīng)資料分析，從2006年以后水位～流量點(diǎn)群成為一個(gè)較明顯的趨勢(shì)。故選用了2006年以來(lái)發(fā)生的全部較大洪水，共計(jì)10場(chǎng)，樣本數(shù)量剛好滿足30個(gè)。對(duì)于其余資料不足部分，特別是中高水位，分析選用歷史發(fā)生高水位，借用相近年份同水位級(jí)比降、糙率資料，使用曼寧公式計(jì)算流量，予以補(bǔ)充。

3.2 資料的審查

水文資料是分析研究的依據(jù)，直接影響著最后成果的質(zhì)量。因此，著重對(duì)于所使用的實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行了可靠性、一致性、代表性三性檢查。

3.2.1 資料的可靠性審查

此次分析所采用的資料，主要來(lái)自《中華人民共和國(guó)水文年鑒》的刊印成果。90年代末刊印水文年鑒期間，資料來(lái)自于中游水文水資源局檔案室存儲(chǔ)的水文資料整編成果正本。這些資料的觀測(cè)與整編均按照國(guó)家和行為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，資料可靠。

3.2.2 資料的一致性審查

吉縣水文站歷年測(cè)驗(yàn)河段的走向沒(méi)有大的改變，河勢(shì)基本穩(wěn)定，河底坡降變化不大。吉縣水文站歷年大斷面沖淤幅度較小，較大改變發(fā)生在2004年，吉縣政府修建城內(nèi)公路時(shí)對(duì)左岸進(jìn)行了部分回填，導(dǎo)致左岸向河心內(nèi)平移了近10 m，此外未發(fā)生顯著變化，認(rèn)為吉縣水文站斷面基本穩(wěn)定。

3.2.3 資料的代表性審查

此次代表性審查，采用鄰近流域仕望川大村水文站洪水系列，與其分布參數(shù)進(jìn)行比較分析，來(lái)說(shuō)明吉縣水文站洪水系列的代表性。吉縣水文站2006—2017年的年最大洪水資料共12年，作為小樣本系列，如表1所示。仕望川大村水文站1959—2016年的最大洪水資料共58年，作為大樣本系列。小樣本計(jì)算的Cv、Cs/Cv分別為0.64、1.01，大樣本計(jì)算的Cv、Cs/Cv分別為1.07、1.35，可以看出Cv值有一些偏差。

表1 吉縣水文站歷年洪水期間實(shí)測(cè)流量資料統(tǒng)計(jì)表

4 綜合水位～流量關(guān)系線的建立和檢驗(yàn)

吉縣水文站的水位～流量關(guān)系相對(duì)穩(wěn)定，由于人為緣故導(dǎo)致斷面有幾次較顯著的變動(dòng)，在斷面未發(fā)生變化之前，各時(shí)段內(nèi)歷年水位～流量關(guān)系線趨勢(shì)一致。從2006年至今，水位～流量關(guān)系成密集帶狀，故按單一曲線分析方法進(jìn)行分析。12年共10場(chǎng)洪水間的30次實(shí)測(cè)流量，進(jìn)行歷年水位～流量關(guān)系綜合分析。

4.1 中高水綜合水位～流量關(guān)系的確立

根據(jù)表1吉縣水文站歷年洪水期間實(shí)測(cè)流量資料，可以點(diǎn)繪出吉縣水文站歷年中低（水位為7.49 m以下）水位～流量關(guān)系曲線圖。從2006年斷面趨于穩(wěn)定后，由于該流域植被良好，并未漲過(guò)較大洪水，故而在中高水資料的搜集中，采用了歷史上發(fā)生的不同高水位級(jí)，借用鄰近年份相似洪水級(jí)別的比降、糙率資料，利用曼寧公式推算出了中高水位以上、流量資料。點(diǎn)繪吉縣水文站歷年水位～流量關(guān)系綜合線結(jié)點(diǎn)。可以看出點(diǎn)群密集，且趨勢(shì)明顯，可以確定單一曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 吉縣水文站綜合水位～流量關(guān)系曲線

4.2 中高水綜合水位～流量關(guān)系的檢驗(yàn)

分析計(jì)算吉縣水文站綜合關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 中高水綜合水位～流量關(guān)系曲線誤差分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3 綜合水位～流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 符號(hào)檢驗(yàn)

經(jīng)對(duì)吉縣水文站綜合水位～流量關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)，計(jì)算得出，統(tǒng)計(jì)量u為0.36，按本區(qū)域取α為0.25時(shí)，查臨界值表得，臨界值u1-α/2為1.15，則u＜u1-α/2，說(shuō)明綜合水位～流量關(guān)系線兩側(cè)點(diǎn)數(shù)分配均衡合理，關(guān)系曲線符號(hào)檢驗(yàn)合格。

式中：u——統(tǒng)計(jì)量；

n——測(cè)點(diǎn)總數(shù)；

k——測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線值之差，正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)。

4.3.2 適線檢驗(yàn)

經(jīng)對(duì)吉縣水文站綜合水位～流量關(guān)系曲線適線檢驗(yàn)，計(jì)算得出u＝0.37，按本區(qū)域取α=0.05時(shí)，查臨界值表得u1-α=1.64，則u＜u1-α，說(shuō)明定線無(wú)明顯系統(tǒng)偏離，關(guān)系曲線適線檢驗(yàn)合格。

式中：u——統(tǒng)計(jì)量；

n——測(cè)點(diǎn)總數(shù)；

k——測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線值正號(hào)和負(fù)號(hào)變換次數(shù)；

4.3.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

經(jīng)對(duì)吉縣水文站綜合水位～流量關(guān)系曲線偏離數(shù)值檢驗(yàn)，t=1.82，按本區(qū)域取α=0.05，查臨界值表得t1-α/2＝2.04，則t＜t1-α/2，關(guān)系曲線偏離數(shù)值檢驗(yàn)合格。

式中：t——統(tǒng)計(jì)量；

s——p的標(biāo)準(zhǔn)差；

n——測(cè)點(diǎn)總數(shù)；

pi——測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值。

檢驗(yàn)結(jié)論：根據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》和黃河水利委員會(huì)水文局《水文巡測(cè)規(guī)范補(bǔ)充規(guī)定》，定線允許誤差應(yīng)小于±2%，不確定度應(yīng)小于15%。吉縣水文站中高水綜合水位～流量關(guān)系曲線的符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均符合要求。

5 斷面沖淤變化分析

5.1 斷面沖淤變化分析

吉縣站測(cè)驗(yàn)斷面整體呈U型河槽，河底寬闊，該河有3條較大支流：馬家河、長(zhǎng)安溝、白河溝。溝道上游多為河卵石。中下游多為基巖，河床基本穩(wěn)定。

斷面左岸較陡，2003年以前為土坡。2004年，吉縣當(dāng)?shù)卣藿ǔ菂^(qū)公路，使左岸向河心縮回約10 m，同時(shí)左岸樁點(diǎn)抬高約0.52 m，人為導(dǎo)致該站斷面發(fā)生了一些改變。2010年，吉縣當(dāng)?shù)卣M(jìn)行河道整治，修建左岸為石砌護(hù)岸，左岸起點(diǎn)距大約11.0～25.0 m處河床抬高約1.6 m。2013年至今，左岸起點(diǎn)距11.0～25.0 m處河床下挖約1.0 m。基于上述情況，2015年在該處修建了測(cè)流槽。

5.2 歷年平均面積變化及歷年平均河底高程變化分析

點(diǎn)繪吉縣水文站大斷面套繪圖，計(jì)算歷年同水位（9.00 m）面積及平均河底高程，見(jiàn)點(diǎn)繪歷年同水位（9.00m）面積過(guò)程線，點(diǎn)繪歷年平均河底高程過(guò)程線。根據(jù)上述資料，由于河道泥沙有所淤積，平均河底高程逐年抬高，但在2015年修建測(cè)流槽之后，歷年斷面趨于穩(wěn)定。本文認(rèn)為吉縣水文站測(cè)驗(yàn)斷面拋開人為因素，測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)穩(wěn)定。

6 結(jié)論

經(jīng)分析研究，吉縣水文站于2015年修建測(cè)流槽后，斷面穩(wěn)定，具備水文站優(yōu)化測(cè)驗(yàn)分析研究的基本條件。該站所屬州川河流域植被良好，發(fā)生大洪水的幾率較小，分析研究成果能滿足生產(chǎn)需要。