遼東暴雨洪水易發(fā)區(qū)河流測(cè)速垂線精簡(jiǎn)新算法的應(yīng)用分析

呂 博

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

按照國(guó)家GB50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，水文站常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法要求水面寬小于50m時(shí)不少于5條測(cè)驗(yàn)垂線，但在高洪測(cè)流時(shí)，由于需要布設(shè)的垂線較多，使得一次測(cè)流的時(shí)間較長(zhǎng)，常錯(cuò)失搶測(cè)洪峰時(shí)機(jī)，測(cè)到的流量精度也不夠準(zhǔn)確[1]。有研究成果表明[2- 6]，在暴雨易發(fā)區(qū)可結(jié)合河流水情特點(diǎn)，對(duì)測(cè)驗(yàn)垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而提高測(cè)驗(yàn)效率，保障汛期測(cè)流的時(shí)效性。遼寧省最大24h暴雨量超過(guò)300mm的區(qū)域全部集中在遼東地區(qū)，屬于洪水極易發(fā)區(qū)[7]。該區(qū)域河流水面寬度均較大，按照水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求，當(dāng)水面寬與平均水深之比值(B/D)大于100時(shí)河道測(cè)速垂線在8～14條，常規(guī)測(cè)流方式下，遼東地區(qū)大型河流均需要布設(shè)8條以上測(cè)速垂線，常規(guī)測(cè)流方式下一次洪水測(cè)驗(yàn)耗時(shí)在1.5～2.5h內(nèi)，在發(fā)生大洪水或者超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，其時(shí)效性很難滿足防汛決策的要求。近些年來(lái)，許多地區(qū)已經(jīng)展開水文測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn)方式的研究[8- 15]，但是各地區(qū)由于河流特點(diǎn)不同，測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn)的方式有所不同，需要結(jié)合不同區(qū)域河流水文測(cè)驗(yàn)的特點(diǎn)，因地制宜地開展水文測(cè)驗(yàn)方式的精簡(jiǎn)分析研究，從而提高遼東暴雨洪水易發(fā)區(qū)防洪決策的時(shí)效性，保障大洪水期間人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 水文站流量測(cè)驗(yàn)垂線的布設(shè)原則

GB50179—2015對(duì)不同類型水文測(cè)站垂線的布設(shè)明確了6個(gè)方面的原則如下：

(1)垂線精簡(jiǎn)方式。對(duì)于可以進(jìn)行精簡(jiǎn)分析的水文測(cè)站，在根據(jù)多條垂線進(jìn)行流量測(cè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)垂線精簡(jiǎn)分析，從而確定最優(yōu)的垂線精簡(jiǎn)條數(shù)。

(2)垂線間距比例。為降低不同垂線數(shù)目對(duì)流量測(cè)定系統(tǒng)以及隨機(jī)誤差的影響程度，應(yīng)合理設(shè)置不同垂線的間距，不同垂線的間距與不同水位級(jí)下總的水面寬度之間的比例應(yīng)該嚴(yán)格按照一類水文站7%～10%，二類水文站站8%～11%，三類水文站9%～12%進(jìn)行設(shè)定。

(3)垂線的適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于寬深比特別大以及河流漫灘較為嚴(yán)重的測(cè)流斷面，或者是河床組成較為復(fù)雜的河流應(yīng)適當(dāng)增加垂線的條數(shù)，滿足流量監(jiān)測(cè)精度的需求。

(4)垂線的優(yōu)化布設(shè)。對(duì)于河流水文情勢(shì)變化較為劇烈且未進(jìn)行垂線精簡(jiǎn)分析的站點(diǎn)，少線少點(diǎn)法不能使用時(shí)，應(yīng)酌量減少垂線的條數(shù)；但水面寬小于50m時(shí)垂線的條數(shù)不應(yīng)小于5條，應(yīng)保證其測(cè)流精度不低于采用浮標(biāo)法進(jìn)行測(cè)流的精度。

(5)垂線的數(shù)目和布設(shè)位置。河床不穩(wěn)定或者河道主流擺動(dòng)劇烈的水文測(cè)站，垂線不宜過(guò)少，在流速脈動(dòng)特別大的區(qū)域，應(yīng)盡量避免布設(shè)測(cè)速垂線。在河道主流部分應(yīng)盡量多布設(shè)垂線。

2 測(cè)速垂線精簡(jiǎn)算法

垂線精簡(jiǎn)精度評(píng)定主要采用誤差試驗(yàn)的方式，首先對(duì)精簡(jiǎn)測(cè)驗(yàn)河段地形數(shù)據(jù)、大斷面地形數(shù)據(jù)、流速分布數(shù)據(jù)以及水位流量特征數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理。其次是制定垂線精簡(jiǎn)的誤差試驗(yàn)方案，流量測(cè)驗(yàn)的誤差方案應(yīng)在不同水位級(jí)下均勻分布，并在水流較為穩(wěn)定的條件下進(jìn)行流量誤差試驗(yàn)。此外，對(duì)流量誤差試驗(yàn)分析的水位變幅應(yīng)按照不同類別水文站進(jìn)行設(shè)置，一般而言對(duì)于一類精度的水文站，其水位變幅應(yīng)該小于0.1m，二類和三類精度的水文站，其水位變幅應(yīng)小于0.3m。垂線精簡(jiǎn)后，一般不同水位級(jí)別下測(cè)驗(yàn)次數(shù)不能小于15次，由于大洪水期間水文測(cè)驗(yàn)的精簡(jiǎn)分析較為困難，則應(yīng)選擇在水流較為穩(wěn)定的時(shí)期進(jìn)行垂線精簡(jiǎn)誤差試驗(yàn)分析。不同水面寬度的誤差試驗(yàn)精度評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表1。

3 實(shí)例分析研究

3.1 測(cè)站概況

本文選取鞍山地區(qū)的岫巖站以及大連地區(qū)的冰峪溝站舉例分析水文測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn)試驗(yàn)結(jié)果。岫巖水文站位于岫巖縣岫巖鎮(zhèn)興隆社區(qū)，東經(jīng)123°17′，北緯40°17′。該站點(diǎn)是大洋河上游的重要控制站，也是區(qū)域主要代表站，集水面積為910km2，距大洋河河口115km，中高水河寬約200m。大連地區(qū)冰峪溝水文站位大連市莊河市仙人洞鎮(zhèn)英那河村，東經(jīng)122°59′，北緯40°00′，集水面積240km2，所在河流屬山溪性河流具有暴漲暴落特性。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約1000m，洪水主流居中、比降大、水流急、中水時(shí)水面寬約為75m。

3.2 寬深比確定

根據(jù)GB 50179—2015規(guī)定選取 2017、2018測(cè)流水位在中高位置的流量測(cè)次24份。分別計(jì)算出測(cè)驗(yàn)24份流量時(shí)河流的水面寬度(B)和平均水深(D)，做寬深比(B/D)分析。通過(guò)計(jì)算得出的寬深比(B/D)值為200～600。從24份實(shí)測(cè)流量來(lái)分析，岫巖站水面寬范圍為316～463m，寬深比值(B/D)范圍在216～419，為寬淺河流。冰峪溝站水面寬范圍在73.1～91.7m，寬深比值(B/D)范圍在51.2～81.3，為窄深河道。

3.3 斷面平均流速與垂線流速相關(guān)性分析

根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》常測(cè)法的垂線﹑測(cè)點(diǎn)綜合精簡(jiǎn)分析的要求，結(jié)合2個(gè)站的斷面情況、垂線流速橫向分布變化趨勢(shì)，采用起點(diǎn)距分別為：100、110、120、130、140、150、160、170m的垂線流速，以斷面平均流速為縱坐標(biāo)，以每條垂線的流速為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系，結(jié)果如圖1—2所示。

圖1為選取的岫巖站不同起點(diǎn)距各垂線測(cè)定流速和斷面平均流速之間的相關(guān)性，從各垂線的相關(guān)分析結(jié)果可以看出，各單條垂線流速和斷面平均流速的相關(guān)性均較好，各垂線相關(guān)系數(shù)均在0.80以上，起點(diǎn)距對(duì)垂線測(cè)定流速和斷面平均流速之間相關(guān)系數(shù)影響較低。在岫巖站各垂線中，選擇相關(guān)性較好的2條垂線(140、150m)和3條垂線(120、140、150m)的總體相關(guān)性均較好，選作岫巖站垂線精簡(jiǎn)方案進(jìn)行對(duì)比分析。圖2為選取的冰峪溝站不同起點(diǎn)距各垂線測(cè)定流速和斷面平均流速之間的相關(guān)性，從各垂線的相關(guān)分析結(jié)果可以看出，各單條垂線流速和斷面平均流速的相關(guān)性也均較好，各垂線相關(guān)系數(shù)均在0.5769～0.9393之間，且起點(diǎn)距對(duì)冰峪溝站垂線測(cè)定流速和斷面平均流速之間相關(guān)系數(shù)影響也較低。在冰峪溝站各垂線中，選擇相關(guān)性較好的2條垂線(100、140m)和3條垂線(100、130、140m)的總體相關(guān)性均較好，選作冰峪溝站垂線精簡(jiǎn)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

3.4 新精簡(jiǎn)算法垂線流速相關(guān)性分析結(jié)果

在2個(gè)站點(diǎn)各單條垂線斷面平均流速與垂線流速相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，按照選取的垂線精簡(jiǎn)方案，分別進(jìn)行2和3條測(cè)驗(yàn)垂線精簡(jiǎn)，并對(duì)垂線精簡(jiǎn)后的測(cè)定流速和斷面平均流速的相關(guān)性進(jìn)行分析，各站點(diǎn)分析結(jié)果如圖3—4所示。

表1 垂線精簡(jiǎn)精度評(píng)定要求

圖1 常規(guī)測(cè)流方法下岫巖站各垂線測(cè)定流速和斷面平均流速的相關(guān)性分析結(jié)果

圖2 常規(guī)測(cè)流方法下冰峪溝站各垂線測(cè)定流速和斷面平均流速的相關(guān)性分析結(jié)果

圖3 岫巖站測(cè)驗(yàn)垂線精簡(jiǎn)后的斷面平均流速和垂線測(cè)流流速相關(guān)性分析結(jié)果

圖4 冰峪溝站測(cè)驗(yàn)垂線精簡(jiǎn)后的斷面平均流速和垂線測(cè)流流速相關(guān)性分析結(jié)果

從圖3中可看出，鞍山岫巖站采用2條垂線進(jìn)行流速測(cè)定后，斷面平均流速和垂線流速之間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9052，屬于高度相關(guān)，且均高于起點(diǎn)距，分別為140、150m的單條垂線下測(cè)定流速和斷面平均流速的相關(guān)性?？梢?jiàn)采用2條垂線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)方案精簡(jiǎn)后，其測(cè)定流速能滿足精度要求。采用3條垂線后其相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9782，屬于高度相關(guān)，可見(jiàn)采用3條垂線進(jìn)行方案精簡(jiǎn)后，鞍山岫巖站測(cè)定的流速同樣可以滿足水文測(cè)驗(yàn)的精度要求。圖4為大連冰峪溝站垂線精簡(jiǎn)分析結(jié)果，從圖中可以看出，采用2條垂線進(jìn)行流速測(cè)定后，斷面平均流速和垂線流速之間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9202，也屬于高度相關(guān)，且均高于起點(diǎn)距，分別為100和140m的單條垂線下測(cè)定流速和斷面平均流速的相關(guān)性?？梢?jiàn)冰峪溝站采用2條垂線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)方案精簡(jiǎn)后，其測(cè)定流速也能滿足精度要求。采用3條垂線后其相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.9251，屬于高度相關(guān)，可見(jiàn)采用3條垂線進(jìn)行方案精簡(jiǎn)后，大連冰峪溝站其測(cè)定的流速同樣可以滿足水文測(cè)驗(yàn)的精度要求。

3.5 新的精簡(jiǎn)算法流量誤差分析結(jié)果

分別采用2個(gè)水文測(cè)站垂線精簡(jiǎn)方案后算得的流量與精測(cè)流量相比，其誤差符合規(guī)定時(shí)，即可用垂線的測(cè)點(diǎn)流速來(lái)代替斷面流速的方法測(cè)流，并作為常測(cè)方法。分別結(jié)合16份實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)按新測(cè)法重新計(jì)算流量，統(tǒng)計(jì)精簡(jiǎn)前后數(shù)值的相對(duì)誤差是否超過(guò)允許范圍，從而確定精簡(jiǎn)結(jié)果。各站點(diǎn)2和3條垂線精簡(jiǎn)方案的誤差分析結(jié)果見(jiàn)表2—5。

表2 岫巖站2條垂線精簡(jiǎn)方案的測(cè)流誤差分析

表3 冰峪溝站2條垂線精簡(jiǎn)方案的測(cè)流誤差分析

表4 岫巖站3條垂線精簡(jiǎn)方案的測(cè)流誤差分析

表5 冰峪溝站3條垂線精簡(jiǎn)方案下的測(cè)流誤差分析

選取的2個(gè)水文站均為3類精度站點(diǎn)，按照GB50179—2015對(duì)3類精度站點(diǎn)流量允許誤差的要求，采用2和3條垂線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)方案精簡(jiǎn)后，其流量誤差均可滿足允許誤差5%的要求，從表中還可以看出，采用2條垂線進(jìn)行方案精簡(jiǎn)時(shí)，各站點(diǎn)對(duì)比觀測(cè)誤差均值為±2.18%，而采用3條垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)，2個(gè)站點(diǎn)對(duì)比觀測(cè)誤差均值為±1.61%，3條垂線精簡(jiǎn)方案的精度要好于2條垂線精簡(jiǎn)方案的測(cè)定精度，但2者精簡(jiǎn)方式均可滿足流量測(cè)驗(yàn)允許的誤差要求。

3.6 誤差最小統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

以2個(gè)站點(diǎn)測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn)方式對(duì)遼東地區(qū)各水文站點(diǎn)進(jìn)行了水文測(cè)驗(yàn)誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別見(jiàn)表6—7。

表6 岫巖站流量誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

表7 冰峪溝站流量誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

可以看出用2個(gè)站點(diǎn)采用3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，且其累計(jì)頻率為50%的誤差數(shù)值，即可視為系統(tǒng)誤差。根據(jù)以上方法統(tǒng)計(jì)出的系統(tǒng)誤差為1.2%<2%。滿足了常測(cè)法誤差界限，即分析的精簡(jiǎn)方法切實(shí)可行。

4 結(jié)論

(1)遼東地區(qū)大部分屬于暴漲暴落的山區(qū)性河流，洪峰持續(xù)時(shí)間較短，在高水位條件下，由于測(cè)流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易錯(cuò)失搶測(cè)洪峰時(shí)機(jī)，測(cè)到的流量精度也不夠準(zhǔn)確。通過(guò)新精簡(jiǎn)算法在高洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)流時(shí)效性可提高30%，流量精度相比于傳統(tǒng)精簡(jiǎn)算法提高15%。

(2)采用垂線精簡(jiǎn)方法可以降低水文測(cè)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，提高測(cè)流效率，在實(shí)際測(cè)驗(yàn)工作中，若測(cè)流斷面受大洪水影響發(fā)生較大沖淤變化時(shí)，還應(yīng)加密垂線，待測(cè)驗(yàn)資料累積到一定程度后，再開展測(cè)速垂線精簡(jiǎn)，制定符合站點(diǎn)實(shí)際洪水情況下的常測(cè)和簡(jiǎn)測(cè)方案。