王家會(huì)水文站流量巡測(cè)可行性分析論證

楊遠(yuǎn)寧

（忻州市水文水資源勘測(cè)分局 山西忻州 034000）

0 引言

隨著山西省中小河流水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)完成，站網(wǎng)密度明顯提高，監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，站網(wǎng)功能逐步完善，測(cè)報(bào)手段和能力得到加強(qiáng)，自動(dòng)化、信息化、現(xiàn)代化的水文監(jiān)測(cè)體系基本實(shí)現(xiàn)。

按照水利部（水文[2005]70）《水文現(xiàn)代化建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》精神，積極推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式改革，以勘測(cè)隊(duì)管理若干測(cè)站，測(cè)站實(shí)現(xiàn)有人看管，無(wú)人值守，定期檢查巡測(cè)，實(shí)現(xiàn)駐測(cè)、巡測(cè)、間測(cè)和水文調(diào)查相結(jié)合。我們以山西省水文局王家會(huì)水文站作為流量巡測(cè)可能性分析論證的典型站點(diǎn)，以滿(mǎn)足水文預(yù)報(bào)、水文分析計(jì)算、水資源評(píng)價(jià)分析等實(shí)際需要精度，研究和推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式的改革。

1 測(cè)站概況

王家會(huì)水文站由山西省水文總站于1958年5月設(shè)立，位于山西省代縣峪口鄉(xiāng)王家會(huì)村，是滹沱河一級(jí)支流峪口河的區(qū)域代表站，該站為按區(qū)域原則規(guī)劃的基本站，代表山西省中部（五臺(tái)山背坡）土石山區(qū)，為研究降水-徑流關(guān)系積累水文資料。主要測(cè)驗(yàn)任務(wù)有：水位、流量、泥沙、水溫、冰凌、降水。

控制流域面積333 km2，斷面以上主河道長(zhǎng)度為26.8 km，主河道平均坡度為25.4‰，流域形狀系數(shù)0.464。實(shí)測(cè)最大洪峰流量為319 m3/s，發(fā)生于1964年7月21日。多年平均河川徑流量為2 467萬(wàn)m3，折徑流深74.1 mm，多年平均年徑流系數(shù)0.156。實(shí)測(cè)最大洪峰流量為319 m3/s，發(fā)生于1964年7月21日。實(shí)測(cè)多年（1958—2016年）平均輸沙量13.1萬(wàn)t，輸沙模數(shù)為393 t/km2。

測(cè)驗(yàn)河段基本順直，河床為砂礫石組成，右岸為較大砂礫石陡岸，左岸為沙礫石梯地，基本斷面河床塊石較多，間有粗砂。斷面為單式窄深河床，一般洪水沖淤變化不大，高水時(shí)漲沖落淤，沖淤變化一般在0.5m左右。

2 資料收集年限及內(nèi)容

收集的資料既要涵蓋高中低水、豐平枯年范圍，又要反映現(xiàn)狀年測(cè)站水文特性情況。根據(jù)以上原則，我們確定以下資料范圍及內(nèi)容：

1）收集資料年限：1992—2016 年，25 年。

2）收集資料內(nèi)容：本次收集資料內(nèi)容主要有測(cè)站概況、實(shí)測(cè)流量成果表、實(shí)測(cè)大斷面成果表、逐日平均水位表、逐日平均流量表、洪水水文要素摘錄表等。

3 測(cè)站控制條件及其變化分析

水位流量關(guān)系的好壞與測(cè)驗(yàn)斷面沖淤變化密切相關(guān)。斷面穩(wěn)定，水位流量關(guān)系就好。斷面沖淤?lài)?yán)重，水位流量關(guān)系就差。分析測(cè)站測(cè)驗(yàn)斷面沖淤情況以及河底高程的穩(wěn)定性是測(cè)站特性分析的重要基礎(chǔ)工作。主要從測(cè)站歷年大斷面變化情況和測(cè)驗(yàn)斷面歷年平均河底高程演變情況進(jìn)行分析。

依據(jù)王家會(huì)站1992—2016年實(shí)測(cè)大斷面資料，點(diǎn)繪歷年實(shí)測(cè)大斷面比較圖（圖1），分析測(cè)驗(yàn)大斷面的變化情況。

圖1 王家會(huì)站歷年實(shí)測(cè)大斷面比較圖

采用王家會(huì)站1992—2016年25年的1 588次實(shí)測(cè)流量進(jìn)行計(jì)算斷面每年的平均河底高程。平均河底高程采用水位減去斷面平均水深的方法求得，斷面平均水深由斷面面積除以水面寬得到。點(diǎn)繪平均河底高程變化圖（圖2），根據(jù)河底高程起伏確定河川穩(wěn)定性。

從圖1和圖2分析，1994年發(fā)生洪水后，河道以淤積為主，一直持續(xù)到1998年，河底高程變化較為明顯；1998年發(fā)生洪水后，河道以沖刷為主；2016年因運(yùn)輸大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，臨時(shí)便道從測(cè)驗(yàn)斷面處經(jīng)過(guò)，使得河底高程整體抬高。除此以外，從1999年至今（不考慮2016年），王家會(huì)站歷年平均河底高程最大變幅約為0.15 m，測(cè)驗(yàn)斷面總體相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 王家會(huì)站歷年平均河底高程演變圖

4 歷年水位流量關(guān)系線(xiàn)的分析

4.1 水位（流量）級(jí)劃分

王家會(huì)站按精度劃分屬于三類(lèi)精度站，根據(jù)該站各年汛期總水量Wf，計(jì)算頻率并繪制曲線(xiàn)，取汛期徑流量頻率p為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的徑流量相近的年份為豐、平、枯水典型年。依據(jù)汛期徑流量頻率p為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的徑流量相近的年份為豐、平、枯水典型年，分別為2008年、2006年、2002年。

根據(jù)三個(gè)典型年的汛期逐日最高水位Z′m，計(jì)算頻率并繪制頻率曲線(xiàn)，取頻率p為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的水位為高、中、低水位，分別為51.40 m、51.10 m、50.80 m。由此得出王家會(huì)站的高水期為大于等于51.40 m，中水期為 51.10～51.40 m，低水期為 50.80～51.10 m，枯水期為小于50.80 m。對(duì)照歷年實(shí)測(cè)大斷面比較圖和平均河底高程變化圖，據(jù)此分析的水位級(jí)代表性較差。

由于王家會(huì)站歷年實(shí)測(cè)流量平均水深相對(duì)較小，河槽沖淤變幅最大為0.6 m，超過(guò)大部分實(shí)測(cè)流量平均水深的30%，故水位代表性較差，依據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-2015）4.4.3條之規(guī)定，采用1992—2016年實(shí)測(cè)流量系列，按照流量進(jìn)行劃分。

1）首先根據(jù)王家會(huì)站1992—2016年最大流量，計(jì)算頻率并繪制頻率曲線(xiàn)，取頻率p為10%所對(duì)應(yīng)的流量10.0 m3/s為高水流量。

2）根據(jù)王家會(huì)站1992—2016年各年年平均流量，計(jì)算頻率并繪制頻率曲線(xiàn)，取頻率p為50%、90%所對(duì)應(yīng)的流量0.910 m3/s、0.240 m3/s為中水流量和低水流量。

由此劃分出王家會(huì)站的高、中、低、枯水期。高水期為大于等于10.0 m3/s；中水期為0.910～10.0 m3/s；低水期為0.240～0.910 m3/s；枯水期為小于0.240 m3/s。

4.2 不同水位（流量）級(jí)水位流量相關(guān)性分析

1）資料選取范圍

為提高分析精度，滿(mǎn)足誤差分析精度要求，高、中、低、枯水位流量關(guān)系所選資料均為1992—2016年汛期（6—9月份）實(shí)測(cè)流量資料。

2）單值化處理方法及應(yīng)用

水位流量關(guān)系因受洪水漲落、變動(dòng)回水、斷面沖淤變化等諸多水力因素的影響，其相關(guān)性不一定呈單一關(guān)系，這種情況一般要進(jìn)行單值化處理，建立某一水力因素與流量的單一關(guān)系，以便進(jìn)行定線(xiàn)推流。根據(jù)王家會(huì)站河道變化特點(diǎn)，我們采用流量與面積、平均水深的關(guān)系進(jìn)行單值化處理，式中：Q為流量（m3/s）；A 為斷面面積（m2）；dˉ為平均水深（m）。

3）高水期水位流量關(guān)系

對(duì)王家會(huì)站1992—2016年高水期實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖3?？梢钥闯鐾跫視?huì)站高水部分水位流量整體關(guān)系較好，圖中偏左部分的12個(gè)點(diǎn)，大都是大水過(guò)后河床產(chǎn)生淤積所測(cè)，與系列值偏小，故對(duì)王家會(huì)站1992—2016年高水實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行單值化處理，其相關(guān)性很好，詳見(jiàn)圖4。

圖3 王家會(huì)站1992—2016年高水期水位—流量關(guān)系線(xiàn)圖

圖4 王家會(huì)站1992—2016年高水期單值化關(guān)系線(xiàn)圖

4）中水期水位流量關(guān)系

對(duì)王家會(huì)站1992—2016年中水期流量實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。水位流量關(guān)系相關(guān)性比較散亂，單值化處理后的關(guān)系性也較差，見(jiàn)圖5。主要原因?yàn)橹兴诹髁枯^小，影響流量變化的控制因素不如高水時(shí)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)資料的分析，選取了近六年即2011—2016年的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行單值化處理，相關(guān)性比較好，見(jiàn)圖6。

圖5 王家會(huì)站1992—2016年中水期單值化關(guān)系圖

圖6 王家會(huì)站2011—2016年中水期單值化關(guān)系線(xiàn)圖

5）低枯水期水位流量關(guān)系

對(duì)王家會(huì)站1992—2016年低枯水期實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。水位流量相關(guān)性比較散亂。單值化處理后相關(guān)性改善也不明顯。對(duì)于低枯水部分，影響流量變化的控制因素更不如中高水時(shí)穩(wěn)定，反映在水位流量相關(guān)性上較為散亂。低枯水期的水位流量關(guān)系根據(jù)斷面控制條件的變化，分時(shí)段建立水位流量關(guān)系進(jìn)行推算流量。

5 誤差分析

按照規(guī)范要求，誤差分析主要從以下方面進(jìn)行。

1）關(guān)系曲線(xiàn)符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)和偏離值檢驗(yàn)。依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》（GB50179-2015）3.4.1規(guī)定。

2）水位流量關(guān)系單值化后系統(tǒng)誤差及隨機(jī)不確定度分析計(jì)算。依據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.5.2規(guī)定。系統(tǒng)誤差不大于3%，允許隨機(jī)不確定度見(jiàn)表1。

表1 單值化關(guān)系線(xiàn)定線(xiàn)允許隨機(jī)不確定度

5.1 高水期誤差分析

1992—2016年高水期單值化關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2011—2016年王家會(huì)站高水期單值化曲線(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果

5.2 中水期誤差分析

2011—2015年中水期單值化關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2011—2016年王家會(huì)站中水期單值化曲線(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果

5.3 低水期誤差分析

該站低枯水期水位流量關(guān)系散亂，相關(guān)性較差，檢驗(yàn)結(jié)果很難合理，這里我們不再做分析了。

5.4 水量誤差分析

依據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.4.5規(guī)定，對(duì)不同時(shí)段的徑流量進(jìn)行誤差分析。

時(shí)段總量允許誤差控制指標(biāo)依據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.5.3規(guī)定，見(jiàn)表4。

表4 時(shí)段總量允許誤差指標(biāo)

單場(chǎng)次洪水總量對(duì)比選取了1992—2016年系列中，實(shí)測(cè)流量最大年份1998年的最大實(shí)測(cè)洪水段，其實(shí)測(cè)最大流量為流量208 m3/s；汛期總量和年總量選取汛期徑流相對(duì)豐沛的2011年進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算；其中推算流量，高水部分采用1992-2016年歷年單值化關(guān)系線(xiàn)推算，中水部分多年單值化關(guān)系線(xiàn)推算，低枯水部分采用單年率定關(guān)系線(xiàn)推算，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 王家會(huì)站時(shí)段總量對(duì)照表

為了進(jìn)一步做好巡測(cè)部署工作，確保測(cè)驗(yàn)精度，我們對(duì)該站非汛期徑流特性進(jìn)行了分析計(jì)算，旨在分析該站在非汛期精簡(jiǎn)測(cè)次的情況下，對(duì)比其徑流量的誤差情況。我們選取豐、平、枯水年三個(gè)年份，分別為2008、2006、2002 年，時(shí)間段為非汛期 1—5、10—12月，采用原年份實(shí)測(cè)流量，分別選取每月一次、兩次、三次實(shí)測(cè)流量，采用連實(shí)測(cè)流量法算出相應(yīng)的非汛期徑流量，同年鑒的徑流量相比較，對(duì)比結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表6 非汛期徑流量對(duì)比表

由表6可以看出，當(dāng)在非汛期每月采用1至3次實(shí)測(cè)流量值按照連實(shí)測(cè)流量法進(jìn)行資料整編，非汛期徑流量與年鑒對(duì)應(yīng)的徑流量的誤差均小于《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.5.3中年總量的允許誤差5%。

6 結(jié)論

通過(guò)以上分析計(jì)算，我們主要形成以下結(jié)論。

1）王家會(huì)站測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)穩(wěn)定，中高水水位流量關(guān)系相關(guān)性較好，中高水經(jīng)單值化處理定線(xiàn)后，水位流量關(guān)系線(xiàn)系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值和隨機(jī)不確定度均小于《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.5.2條基本站允許誤差。

2）關(guān)系曲線(xiàn)符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)和偏離值檢驗(yàn)均小于《水文資料整編規(guī)范》（GB50179-2015）3.4.1規(guī)定。

3）時(shí)段總量推算誤差小于《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.5.3規(guī)定的允許誤差控制指標(biāo)。

4）滿(mǎn)足《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）4.2.4條 a要求，水位流量關(guān)系經(jīng)單值化處理后水位流量關(guān)系線(xiàn)呈單一線(xiàn)，流量定線(xiàn)達(dá)到本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許誤差，故該站流量可實(shí)行巡測(cè)。

5）王家會(huì)站非汛期，每月可施測(cè)1至3次流量，采用連實(shí)測(cè)流量法推算流量。汛期根據(jù)降水情況和巡測(cè)安排，適時(shí)施測(cè)。結(jié)合施測(cè)的實(shí)測(cè)流量逐步修正歷年單值化關(guān)系線(xiàn)，根據(jù)歷年單值化關(guān)系線(xiàn)推算流量。