基于水文測站測流垂線精簡試驗分析研究

趙敬瑛

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

0 前 言

水文站常規(guī)測驗方法按照國家《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015規(guī)定要求，當(dāng)水面寬度高于50m需要布設(shè)超過5條以上的測流垂線，尤其是測流高洪水時，測流時間由于布設(shè)較多的垂線一般時間較長，搶測洪峰的時機較容易錯失，流量測驗的精度也很難得到有效保證[1]。近些年來，許多水文工作者展開對河流測流垂線精簡的分析研究。程瑞修對八道河龍灣水文站進(jìn)行測流垂線精簡分析，研究成果表明垂線精簡方案將有效保障八道河龍灣水文站洪峰流量測定的準(zhǔn)確性及時效性[2]。唐偉霄基于多元線性回歸模型對測流垂線精簡分析，能夠快速有效得到測流精簡方案,且符合相關(guān)關(guān)系線檢驗及精度評定等規(guī)范要求[3]。趙靜敏對北張店水文站枯期進(jìn)行實測流量次數(shù)的精簡分析，精簡分析枯期每月實測流量的次數(shù),以便可以準(zhǔn)確推算逐日平均流量[4]。趙志鵬采用線性回歸對何口水文站測流進(jìn)行精簡分析，通過線性回歸分析的方法，找到與斷面平均流速關(guān)聯(lián)度比較高測點測速，來計算斷面平均流速[5]。馬清華以流速誤差偏離計算方法對云南彝良水文站進(jìn)行測線精簡分析，簡測測流方案將其作為高洪測流方案的一個有效補充[6]。孟順卿對黃河小川水文站流量測驗方案進(jìn)行精簡分析，對測流垂線的精簡分析，可以合理優(yōu)化相關(guān)測驗方案,達(dá)到減輕勞動強度和提高測驗效率的目的[7]。駱光曉對水文站非汛期實測流量次數(shù)進(jìn)行分析，重點分析常年駐守基本斷面的水文觀測實施非汛期巡測的可行性[8]。宋茂峰對流速儀測流法進(jìn)行精簡分析，通過對比試驗分析表明精簡精度可以滿足測流需求[9]。慕明清對無定河白家川站流量測驗方法進(jìn)行精簡分析，分析確定平水期流速儀一、兩點法測流適合于該站點的測流方案。通過以上研究表明水文測站測流垂線精簡研究，可以降低測流勞動強度，提高測流效率，但均需要對精簡方案的測流精度進(jìn)行比測分析，為此文章以本溪地區(qū)的南甸水文站為研究實例，對該站點的測流垂線精簡方案進(jìn)行研究，研究成果對于本溪地區(qū)的測驗方式具有參考價值。

1 水文站測流垂線的布設(shè)要求

不同類型水文測站垂線數(shù)目按照《河流流量測驗規(guī)范》要求需要滿足6個原則要求，各原則為：

1)垂線精簡方式：對于水文測站可進(jìn)行測流垂線精簡分析的，在傳統(tǒng)測驗垂線布設(shè)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行測流垂線最優(yōu)精簡化方案的分析。

2)不同垂線之間寬度設(shè)置：為降低流速測定垂線的數(shù)目對測流隨機以及系統(tǒng)誤差的影響，需要對各條測流垂線之間的寬度進(jìn)行優(yōu)化分析，各垂線之間寬度與水面總寬度之間的比例需要按照水文站類別進(jìn)行設(shè)定，其中一類水文站在不同水位級之間的比例應(yīng)控制在7%-10%范圍內(nèi)，二類水文站的比例應(yīng)嚴(yán)格控制在8%-11%之間，三類水文站比例嚴(yán)格控制在為9%-12%之間。

3)適當(dāng)調(diào)整垂線的條數(shù)：對于水面寬度或者斷面寬深比較大的站點，或是河床組成較為復(fù)雜的站點需要對測流垂線的條數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，滿足測流精度的要求。

4)測流垂線的調(diào)整布設(shè)：對于由于水文特征變化顯著使得為精簡測流垂線分析的站點，垂線數(shù)目較少或者測點較少不能滿足測驗精度要求時，應(yīng)適當(dāng)減少測流垂線的數(shù)目，但水面寬度低于50m時測流垂線的數(shù)目不能低于5條，應(yīng)使得其測流的精度不能低于浮標(biāo)方法進(jìn)行測流的精度。

5)測流垂線布設(shè)的位置和數(shù)目：河槽主流擺動劇烈或者河床較為不穩(wěn)定的水文站點，

在流速變化較為紊亂的河流測流垂線不宜布設(shè)較少的數(shù)目，在河道主槽區(qū)域盡可能布設(shè)多條測流垂線。

2 測流垂線精簡后的測流精度評定

通過對站點地質(zhì)、河流形態(tài)、流速特征、水位流量變化數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)和處理后，通過對垂線精簡前后流量測驗誤差進(jìn)行精簡方案的適用性分析，不同水位級需要對應(yīng)不同的測流方案，在較為穩(wěn)定的水流條件下進(jìn)行測流誤差的試驗分析。此外，按照不同類別的水文站進(jìn)行流量誤差試驗分析的水位變幅的設(shè)置，各類水文站水位變化幅度分別低于0.1m(一類)、0.3m(二類和三類)，測流垂線精簡化下測流次數(shù)一般在不同水位級下不能少于15次，測流垂線精簡分析在大洪水時分析時具有較大的難度，因此精簡誤差分析一般要求在水流較為平穩(wěn)的情況進(jìn)行。測流垂線精簡在不同水面寬度下的精度要求見表1。

表1 垂線精簡精度評定要求

3 實例分析研究

3.1 測站概況

南甸水文站位于本溪縣南甸鎮(zhèn)小峪村，E124°24′，N41°16′，始建于1958年1月，集水面積765km2，為區(qū)域代表站，國家基本站。流量測驗精度為三類，泥沙測驗精度為三類。主要觀測項目有：水位、流量、輸沙率、單位水樣、冰情、降水、比降、水情拍報、普通測量、地下水位、水文調(diào)查等十一個項目。南甸水文站建站以來最大洪峰出現(xiàn)在1960年8月4日，流量3800m3/s，最高水位289.00m。1960年8月出現(xiàn)歷年最大流速4.00m/s。河段順直長約800m，高水時河寬約180m，水位達(dá)289.50m時，左、右岸同時跑灘，左岸灘地寬540m，右岸灘地寬約200m，基本斷面上270m處有漫水橋一座，斷面沖淤變化較小，具有穩(wěn)定的水位流量變化關(guān)系。

3.2 不同垂線下流速相關(guān)分析

基于南甸水文站垂向流速的變化分布以及水面寬度情況，設(shè)置10條測流垂線，各垂線的起點距分別為：55m、69.5m、85.3m、94.6m、101.5m、109.2m、118m、129.3m、138.5m、150m，建立不同測流垂線的流速相關(guān)性，見圖1。

(a)1#垂線(起點距：55.0m)

(b)2#垂線(起點距：69.5m)

(c)3#垂線(起點距：85.3m)

(d)4#垂線(起點距：94.6m)

(e)5#垂線(起點距：101.5m)

(f)6#垂線(起點距：109.2m)

(g)7#垂線(起點距：118m)

(h)8#垂線(起點距：129.3m)

(i)9#垂線(起點距：138.5m)

(j)10#垂線(起點距：150.0m)

本溪南甸水文站按照《水文測驗手冊》測點綜合精簡分析要求需要布設(shè)10條垂線，從各垂線測定流速和斷面平均流速的相關(guān)性分析可看出，兩者具有較好的相關(guān)性，各垂線相關(guān)系數(shù)總體均在85以上，起點距對垂線測定流速和斷面平均流速相關(guān)性影響程度較低。從各垂線中選取相關(guān)性較好的兩條垂線(起點距為94.6m和起點距為150.0m)以及相關(guān)性較好的3條垂線(起點距分別為94.6m、101.5m、150.0m)，作為本溪南甸水文站測流垂線精簡方案。

3.3 垂線精簡后流速相關(guān)性分析

分別對兩條和三條垂線精簡方案的測定的斷面平均流速和垂線流速的相關(guān)性進(jìn)行分析，如圖2所示。

(a)兩條垂線

(b)三條垂線

采用兩條垂線進(jìn)行測流精簡方案后，其垂線測定的流速和斷面平均流速之間的相關(guān)系數(shù)為0.8005，而采用三條垂線進(jìn)行測流精簡方案后期測定的垂線流速和斷面平均流速之間的相關(guān)系數(shù)也可達(dá)到0.8148，三條測流垂線精簡方案的流速相關(guān)性好于兩條垂線精簡方案下的流速相關(guān)性，但兩條測流垂線精簡方案下的流速測定精度也可滿足流速相關(guān)性要求足。

3.4 測流垂線精簡前后精度分析

采用對比觀測試驗的方式對兩條測流垂線和3條測流垂線精簡方案下的流量誤差進(jìn)行分析，誤差分析結(jié)果見表2和表3，并采用測流垂線精簡方案統(tǒng)計分析了16個實測數(shù)據(jù)樣本下的誤差允許范圍，誤差統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表2 兩條測流垂線精簡前后精度分析

表3 3條測流垂線精簡前后精度分析

表4 流量測定誤差范圍統(tǒng)計結(jié)果

南甸水文站測流精度為3類，3類精度站點流量允許誤差按照《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015要求，進(jìn)行測流垂線精簡方案后期測流允許誤差的范圍在±4.0%以內(nèi)，采用兩種測流垂線精簡方案下的誤差均可滿足南甸站水文測驗的規(guī)范要求，且采用三條測流垂線精簡方案的效果要好于2條測流垂線的誤差值。從誤差范圍統(tǒng)計結(jié)果可看出，兩條和三條測流垂線誤差±6.0%以內(nèi)的累積頻率在97.2%-98.5%之間，按照《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015要求當(dāng)累積頻率達(dá)到50%既可以認(rèn)為系統(tǒng)誤差，通過分析各測流垂線精簡方案下的系統(tǒng)誤差均可<2%，表明測流垂線精簡方案可以滿足測流精度要求，方案可行。

4 結(jié) 語

由于本溪地區(qū)河流洪水暴漲暴落，洪水歷時短，南甸水文站在未進(jìn)行測流精簡前，在高水位需要布設(shè)10條垂線，傳統(tǒng)測流方式時效性不高，通過精簡對比分析，在高水位應(yīng)急測流時，可采用三條和兩條的應(yīng)急測洪方案，提高測流時效性；對于洪水期沖淤變化較大的斷面，對測流垂線還需加密布設(shè)，避免不能及時觀測到洪峰和洪水過程，此類站點需要積累一定的流量測驗數(shù)據(jù)后開展測流垂線的精簡方案分析。