代表垂線法測流在臧格莊水文站汛期特殊情況下應用的展望

（山東省煙臺市水文局 煙臺 264001）

1 前言

1.1 流域概況

臧格莊水文站位于清洋河流域大沽夾河西支流，棲霞市臧家莊鎮(zhèn)臧家莊村，東經(jīng)120°59＇，北緯37°28＇。流域形狀呈扇形，斷面以上流域面積458km2，干流長度30.5km，流域平均寬度15.0km。干流長度28.7km，干流平均坡度4.33‰。上游20公里處1961年1月建成庵里中型水庫一座，基本斷面以下約300m 有山東河匯入，下游約28km 有大型水庫門樓水庫。

臧格莊水文站流域降水年內(nèi)分配不均勻，多年平均降雨量為667.6mm，年最大降水量為1177.7mm，年最小降水量為344.0mm，極值比3.4。臧格莊水文站的徑流主要由大氣降水補給，上游中型水庫庵里水庫流域面積較小，故該站徑流隨時間的變化過程十分復雜，尤其在汛期，但徑流變化特點與降水相似。臧格莊站多年平均徑流量為0.733 億m3，汛期6—9四個月平均徑流深占全年的80%。

該流域?qū)贃|亞季風區(qū)大陸性氣候，氣候溫和，四季分明。多年平均氣溫11.5℃，七、八月份最高，達38℃，最低溫度-17.3℃，年無霜期222 天，歷年最大凍土深0.5m，平均風速4.5m/s。多年平均蒸發(fā)量1186.5mm，4—6月達475.7mm，占全年蒸發(fā)量的40.1%。氣候特點是：春季常刮大風，多以西南風為主，空氣相對干燥；夏季麥收前后伴有冰暴災害天氣，汛期濕熱多雨且降水集中，時有臺風登陸，形成暴雨洪水；秋季天氣涼爽，風向較亂，個別年份甚至有連綿陰雨發(fā)生；冬季干冷、雨雪稀少，多北風或西北風。

流域內(nèi)山丘區(qū)占80%，丘陵區(qū)占20%，土壤主要為砂壤土及壤土，其次為砂土，土壤透水性較好，植被覆蓋率達30%左右。斷面以上流域內(nèi)20%為丘陵地，一般高程在50～200m 之間，無較大山峰，最高約在400 米左右。地勢呈西南高東北低之勢，平原多分布在中下游，為河谷沖積淤積平原。臧格莊水文站附近河道為山間河谷平原，由河流沖洪積物組成,巖性為砂礫石，顆粒上細下粗,厚度7～15m。庫岸斜坡由粉質(zhì)粘土組成，周圍丘陵地帶基巖裸露，屬變質(zhì)巖類，巖性為下元古代粉子山群大理巖、變粒巖及長石石英巖。臧格莊水文站屬于為膠東半島區(qū)域代表站，門樓水庫的入庫站，測驗精度三類站，亦為中央報汛站。

1.2 流量測驗方法

根據(jù)汛期測洪方案，下游橡膠壩未升壩且水位＜6.00m 時采用基下220m 作為測流斷面，水位≥6.00m 時使用水文纜道測流，流速用旋槳流速儀采用懸索懸吊方式一點法施測，水深用基本水尺斷面測量。目前臧格莊水文站流量測驗懸索位置常規(guī)為起點距30.0m、50.0m、70.0m、90.0m、110m、130m 六條測速垂線，高水位時增加起點距10.0m、150m、170m 三條測速垂線。

2 2017年汛期水情

2.1 雨情

2017年8月3 日0 時至8月5日8 時，受臺風“海棠”減弱后的低壓環(huán)流影響和冷暖空氣共同影響，清洋河流域出現(xiàn)一次強降水過程，如表1所示。

最大降雨主要集中在8月3日，五分鐘雨強較大的點有百佛院雨量站2mm/min，鄧格莊雨量站1.4mm/min。

2.2 來水情況

表1 臧格莊水文站流域內(nèi)各雨量站降雨情況表（單位：mm）

受強降雨影響，清洋河流域形成超滲產(chǎn)流，河道內(nèi)迎來一次較大洪水，臧格莊水文站實測流量如表2所示。

2.3 洪峰施測過程

施測時間2017年8月3日16時0分至16時40分(平均: 2017年8月3日16時20分)，開始水位6.75m，結(jié)束水位7.58m。對應水道斷面面積為303 m2、430 m2，水位變化引起的面積變化大于5%，改用加權平均法計算相應水位為7.26m。

2.4 存在問題及原因

2013年汛期結(jié)束后，清洋河未有明顯來水過程，今年首次來水漂浮物較多，流速儀入水后極易被水草等漂浮物纏繞，雖然在施測過程中采用縮短測點流速施測歷時、漂浮物間隙下降、上提鉛魚等措施，但仍然無法避免水草纏繞問題。每個測點流速施測前后，水文纜道行車需重新回到河堤，人工清除纏繞水草，直接導致施測過程歷時較長，從而使得水位變幅劇烈，一次測流起訖時間內(nèi)，水位的漲落差大于平均水深的20%，測驗精度較低。

因此，若汛期第一次較大洪水發(fā)生且漂浮物較多時，其漲水過程的流量測驗應采用其他測流方法進行。

3 關系分析與檢驗

3.1 中泓浮標法與代表垂線法比較

河流流量測驗規(guī)范規(guī)定：當洪水漲落急劇，洪峰歷時短暫，不能用均勻浮標法測流時可用中泓浮標法測流。用中泓浮標法測流，應在中泓部位投放3～5 個浮標，浮標位置臨近，運行正常，最長和最短運行歷時之差不超過最短歷時10%的浮標應有2～3 個。中泓浮標法測流除測流速度快、易操作等優(yōu)點之外，需合理確定中泓浮標系數(shù)，準確是關鍵，它決定了流量測驗的精度。確定浮標系數(shù)的實驗一般為中泓浮標與流速儀法同時測速的實驗比測法，以確定中泓浮標系數(shù)。

測流斷面代表垂線法可縮短單次測流過程歷時，控制水位急劇上漲以及峰谷轉(zhuǎn)折點等情況下流量測驗的精度。相比中泓浮標法在流速施測的可靠性及可操作性更強，且根據(jù)本站現(xiàn)有的流量測驗手段即可滿足。綜合比較，中泓浮標法需要確定基線長度、制作浮標、實驗確定浮標系數(shù)，而流速代表垂線法則簡便易行，并較為可靠，應選為特殊情況下的替代方案。

表2 臧格莊水文站實測流量情況表

圖1 臧格莊水文站30.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖2 臧格莊水文站50.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖3 臧格莊水文站70.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖4 臧格莊水文站90.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖5 臧格莊水文站110m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖6 臧格莊水文站130m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

3.2 代表垂線的分析確定

根據(jù)臧格莊水文站近年來水位在6.00m 以上基本水尺斷面使用纜道測流的50 次流量測驗記錄。選取起點距30.0m、50.0m、70.0m、90.0m、110m、130m六條垂線的垂線平均流速與斷面平均流速相比較，得出110.0m 垂線平均流速的線性相關性最好，相關系數(shù)為0.95，二者密切相關（見圖1～6）。

3.3 三種檢驗

3.3.1 符號檢驗

K=24，n=50，計算得u=0.141。

當給定顯著水平α=0.25 時，u1-α/2=1.15，

u ＜u1-α/2，接受假設。

3.3.2 適線檢驗

K=24，n=50，計算得u=0。

當給定顯著水平α=0.10 時，u1-α=1.28，

u ＜u1-α，接受假設。

3.3.3 偏離數(shù)值檢驗

當給定顯著水平α=0.10 時，t1-α/2=1.67，t ＜t1-α/2，接受假設。

3.4 適用范圍及使用方法

根據(jù)上述檢驗確定代表垂線法公式為：

V斷=（V110＋0.0341）/1.166

V斷—斷面平均流速

V110—代表垂線平均流速

流速范圍0.8～2 m/s，當代表垂線平均流速不在此區(qū)間內(nèi)不適用該公式簡化計算。

圖7 臧格莊水文站2017年基本水尺斷面大斷面圖

根據(jù)實測大斷面成果以及水位計算相應過水斷面面積，二者相乘即可得臧格莊水文站單次流量測驗數(shù)據(jù)。臧格莊水文站2017年大斷面圖如圖7所示。

4 結(jié)語

采用代表垂線法施測斷面平均流速，可將簡測法的多條測速垂線再次簡化至1 條，故施測流量過程所用的時間可以大大縮短，既可以完成流速的測定，又減小了因水位暴漲而增加的過水斷面面積誤差，保證了搶測洪峰流量過程的測驗時機，同時可以節(jié)省人力，減輕勞動強度，在測站有大量漂浮物時確保了流量測驗精度，強化了時效性