八道河龍灣水文站測流垂線精簡分析

程瑞修

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

1 測站特征

龍灣水文站主要監(jiān)測八道河水文要素，地處遼寧省丹東市鳳城市大堡鎮(zhèn)紀(jì)家村，E124°11′，N40°36′，集水面積854km2，為區(qū)域代表站，流量測驗精度為三類，承擔(dān)向國家防總、松遼委、遼寧省防總、丹東市防總的報訊任務(wù)。水文站測驗河段順直長約1000m，主流偏左，洪水時比降大、水流急?；舅邤嗝嫦掠渭s300m處有一處彎道，左岸為砂土緩坡，右岸砂石陡坡，河床為沙卵石組成，沖淤變化不大(詳見圖1)，歷年水位流量關(guān)系較為穩(wěn)定。

圖1 龍灣水文站大斷面圖

2 水位等級劃分及寬深比分析

2.1 水位等級劃分

本站水位基本處于天然狀態(tài)，通過暢流期頻率水位計算，將水位等級劃分為高、中、低、枯4個時期，詳見表1。

表1 龍灣水文站水位等級劃分

2.2 寬深比分析

根據(jù)《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-2015)，選取了 2018年測流水位在 93.50m以上的30份測流數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)中河流的水面寬度(B)和平均水深(D)，進(jìn)行了寬深比(B/D)分析。30份數(shù)據(jù)計算出的寬深比值在100-146.8之間，且從30份實測流量數(shù)據(jù)中可以得出，河流水面寬基本在57.2-190m之間波動。龍灣水文站的河床主要為砂卵石，兩岸為石砌防洪堤，為該水文站監(jiān)測斷面的穩(wěn)定性提供了支撐[1]。

3 精簡方案

3.1 常測法測速垂線數(shù)目要求

根據(jù)《水文測驗手冊》中常測法測速垂線數(shù)的布設(shè)要求，當(dāng)河道水面寬與平均水深之比值(B/D)>100時，河道為寬淺河道。通過對龍灣水文站寬深比分析得出，該水文站值寬深比值范圍為100-146.8，故而龍灣水文站所處河段屬于寬淺河道，其采用常測法時測速垂線數(shù)目應(yīng)布設(shè)10-14條，在不影響精度的前提下確定保留的垂線數(shù)目。

3.2 精簡分析

繪制垂線平均流速、水深橫向分布圖(圖2)。分別繪制有代表性的及精度較好的中、低水位垂線平均流速，96.0-94.5m處于中水位級，94.5m以下處于低水位級。

圖2 龍灣水文站垂線平均流速橫向分布曲線及綜合斷面

根據(jù)《水文測驗手冊》中常測法垂線﹑測點綜合精簡的要求，結(jié)合本站的斷面情況及上圖所示的垂線流速橫向分布變化趨勢，選取起點距為140m、150m、160m、170m、180m、190m、200m的垂線作為分析對象，以斷面平均流速為縱坐標(biāo)，各所選取垂線的流速為橫坐標(biāo)分別建立相關(guān)關(guān)系。通過相關(guān)關(guān)系圖篩選相關(guān)關(guān)系較好的三條垂線。

1)布設(shè)一條測速垂線簡測法精簡分析：

根據(jù)所選取各垂線流速與斷面平均流速的相關(guān)關(guān)系圖，起點距為160m時，垂線流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系最好，其線性關(guān)系為：Y=0.597X+0.511，R=0.947，如圖3所示。

圖3 起點距160m垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖

2)布設(shè)兩條測速垂線簡測法精簡分析：

篩選垂線流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系較好的兩條垂線(起點距160m、170m)，以兩條垂線的流速平均值為橫軸，斷面平均流速為縱軸建立相關(guān)關(guān)系(圖4)，通過相關(guān)圖可以看出兩者相關(guān)關(guān)系較好，其線性關(guān)系為：Y=0.537X+0.688，R=0.962。

圖4 兩條垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖

3)布設(shè)三條測速垂線簡測法精簡分析：

篩選垂線流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系較好的三條垂線(起點距140m、160m、170m)，以三條垂線的流速平均值為橫軸，斷面平均流速為縱軸建立相關(guān)關(guān)系(圖5)，由圖得出兩者相關(guān)性較強。其線性關(guān)系為Y=0.660X+0.434，R=0.985。

圖5 三條垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖

3.3 誤差分析

根據(jù)《水文測驗手冊》，將一條測速垂線(起點距160m)、兩條測速垂線(起點距160m、170m)、三條測速垂線(起點距140m、160m、170m)折算得的流量與精測流量相比，分析各測量方案誤差是否符合規(guī)定。把30份實測流量數(shù)據(jù)按上述三種精簡方案重新計算流量，統(tǒng)計精簡前后數(shù)值的相對誤差，計算結(jié)果詳見表2。根據(jù)計算結(jié)果將各誤差值由負(fù)到正、有小到大依次排列，統(tǒng)計其累積頻率(表3)。

表2 精簡前后流量對比分析表

續(xù)表2 精簡前后流量對比分析表

表3 流量誤差統(tǒng)計分析表

由流量誤差統(tǒng)計分析表可以看出，采用140m、160m、170m三條垂線平均流速代替斷面平均流速算出的流量誤差值最小。按照規(guī)定，可將累積頻率為50%的誤差數(shù)值作為精簡方案的系統(tǒng)誤差，統(tǒng)計出140m、160m、170m三條垂線累積頻率為50%的誤差數(shù)值為1.2%，即該精簡方案的系統(tǒng)誤差為1.2%<2%，滿足常測法誤差界限。此外，以河道水位為縱坐標(biāo)，以精簡前后流量為橫坐標(biāo)作圖(圖6)，由圖可以看出兩種方法的流量擬合度較好，滿足測驗和報汛的要求。以上分析表明140m、160m、170m三條垂線簡測法成立，可用該方法作為經(jīng)常性測流方法。

圖6 常測法與精簡后測法計算的流量圖

4 結(jié) 論

龍灣水文站屬于暴漲暴落的山區(qū)性河流，洪峰持續(xù)時間較短。流速儀測流斷面在沒有經(jīng)過精簡方案分析前，水位在93.50米以上時，測流垂線需10條以上，導(dǎo)致測流時間過長，易錯失搶測洪峰時機(jī)，所測流量精度也不夠準(zhǔn)確。通過精簡分析，若使用新的施測方案(140m、160m、170m三條測速垂線簡測法)，將在節(jié)省測流時間、及時搶測到洪峰流量的同時，又能夠保證實測流量成果的精度，且流量成果達(dá)到整編規(guī)范的要求，有效地提高了工作效率，增加了報汛的時效性。

通過精簡分析得到的施測方案，只需監(jiān)測140m、160m、170m三條垂線的流速，通過水位、大斷面圖查得斷面面積，進(jìn)而即可求得相應(yīng)的流量。該方法不僅提高了測流工作效率，而且為下一步能夠?qū)崿F(xiàn)流量的實時在線測量提供了便利條件，為今后的水文現(xiàn)代化應(yīng)用提供了參考和理論支撐。