冰期流量簡測分析研究

史向前

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

1 概述

1.1 目的與意義

2013年，隨著遼寧省中小河流水文監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的全面鋪開，丹東水文監(jiān)測站點(diǎn)由原來的10處增加至26處，監(jiān)測范圍與任務(wù)大幅增加，測站人員配置出現(xiàn)了嚴(yán)重不足。一方面隨著人類的發(fā)展進(jìn)步，水文測驗(yàn)河段受工程建設(shè)影響不可避免，水文測站特性發(fā)生較大變化，同時(shí)現(xiàn)代化技術(shù)也不斷在水文領(lǐng)域推廣應(yīng)用，傳統(tǒng)水文測驗(yàn)方法已不適應(yīng)水文現(xiàn)代發(fā)展需求[1-2]；另一方面北方河流枯冰期水量變化不大，較長的時(shí)期內(nèi)，用過多的流量測次控制河流流量變化作用不大，無形中占用了過多的勞動(dòng)資源，不利于水文監(jiān)測工作的開展。2019年9月，水利部辦公廳印發(fā)了《關(guān)于水文現(xiàn)代化建設(shè)技術(shù)裝備有關(guān)要求的通知》，為水文改革提供了方向，通知中明確了在控制徑流誤差的條件下，可通過分析來減少流量測驗(yàn)頻次。根據(jù)SL195—2015《水文巡測規(guī)范》，在滿足水文巡測要求的前提下，通過對原有長系列流量資料進(jìn)行測次簡化分析，減少流量監(jiān)測頻次，對于消減冗繁的工作量，解放勞動(dòng)生產(chǎn)力，提升水文監(jiān)測能力，提高水文測驗(yàn)質(zhì)量，方便水文站網(wǎng)的運(yùn)行管理，具有重要意義[3]。

1.2 分析內(nèi)容

根據(jù)SL195—2015和GB50179—2015《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》，結(jié)合設(shè)站目的和功能需求等實(shí)際情況，利用已有的冰期流量實(shí)測資料，按影響因素分期分階段分析，掌握測站冰期流量變化規(guī)律。按照一定的原則對已收集的實(shí)測資料進(jìn)行測次精簡，分別計(jì)算精簡測次后的年總量及冰期總量，以原整編的各時(shí)段量為真值，計(jì)算精簡測次后各時(shí)段總量的誤差，論證可能到達(dá)的測驗(yàn)精度與巡測允許誤差的關(guān)系。通過以上分析，合理安排冰期流量測次和測流時(shí)機(jī)。本文以沙里寨水文站為例，分析研究冰期流量簡測的可行性。

2 測站基本情況

2.1 測站概況

沙里寨水文站位于鳳城市沙里寨鎮(zhèn)蔡家村，東經(jīng)124°42′，北緯40°08′，集水面積為4810km2，距大洋河入河口距離43km。本站1933年12月由偽滿交通部理水司設(shè)立，時(shí)為二道溝水位站，1945年7月停測，1951年6月由遼東省水利局恢復(fù)，1952年1月更名為沙里寨站。1954年8月領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)變更為遼寧省水利局，并在1956年7月由水位站改為水文站。1959年1月領(lǐng)導(dǎo)機(jī)關(guān)變更為遼寧省水利電力廳，并于1962年1月將該站基本水尺斷面下遷100m，更名為沙里寨(二)站。同年6月該站斷面再次下遷200m，更名為沙里寨(三)站。該站為大洋河下游干流站，目的是控制大洋河的水量、沙量以及各種水文特征，分析暴雨徑流、產(chǎn)匯流關(guān)系，為國家建設(shè)、水資源開發(fā)利用和保護(hù)提供決策依據(jù)，擔(dān)負(fù)著向國家、省、市等防汛領(lǐng)導(dǎo)部門拍報(bào)水、雨、特殊水情等任務(wù)。該站主要測驗(yàn)項(xiàng)目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸發(fā)、墑情、水溫、冰情、比降、水文調(diào)查、水情拍報(bào)、水質(zhì)監(jiān)測等。該站為國家基本水文站，區(qū)域代表站，二類流量精度站，二類泥沙精度站。

2.2 水流沙特征

大洋河屬于半干旱半濕潤地區(qū)山區(qū)性河流，水位漲落急劇，汛期水位變幅較大，洪水來自流域的集中降雨，徑流量多集中于汛期，枯季流量小而穩(wěn)定。由于流域內(nèi)河床受洪水沖淤變化較大，暢流期Z—Q關(guān)系不穩(wěn)定，沙里寨水文站歷年Z—Q線擺動(dòng)幅度較大。流域植被狀況較好，但局部的暴雨、泥石流經(jīng)常發(fā)生，除洪水期河流含沙量較大以外，平時(shí)河水比較清澈。沙里寨水文站測驗(yàn)河段順直長約800m，主流偏左，中水以上流心逐漸右移。基本水尺斷面上游800m處有亮子河匯入，附近產(chǎn)生大暴雨時(shí)常出現(xiàn)鴛鴦河?；舅邤嗝嫦掠?20m處有1980年修筑的2道長約40m石籠丁字壩，河段左右岸均為巖石陡岸，河床由細(xì)沙組成，洪水時(shí)漲沖落淤，沖淤變化較大，歷年水位流量關(guān)系曲線呈逆時(shí)針繩套型。

2.3 測驗(yàn)整編方法

本站枯水及冰期在基本水尺斷面施測流量，涉水或乘船渡河，采用流速儀懸桿懸吊施測垂線流速，纜索標(biāo)志法測距，測深桿測深。中高水在基本水尺斷面施測，水文纜道渡河，采用流速儀懸索懸吊施測垂線流速，纜道計(jì)數(shù)器測距，懸索鉛魚測深[4-5]。根據(jù)GB50179—2015規(guī)定，通常按斷面形狀均勻布設(shè)測速垂線，垂線數(shù)目應(yīng)滿足流速儀常測法要求最少垂線數(shù)目[6]。根據(jù)流速測點(diǎn)位置對水深的適應(yīng)要求確定垂線流速測點(diǎn)數(shù)。由于中高水水位漲落變化急劇，適當(dāng)減少測點(diǎn)數(shù)及測速歷時(shí)，用于減少水位漲落差過大對流量成果精度的影響。暢流期中高水水位流量關(guān)系多呈繩套曲線，故采用繩套曲線法定線整編推流；冰期受斷面冰情影響，流量較暢流期偏小，一般采用改正系數(shù)法(或K值法)整編推流[7]。K值法主要適用于冰期水位流量關(guān)系不穩(wěn)定，但沒有冰壩壅水現(xiàn)象的情況。K值為冰期流量Qw與暢流期流量Q的比值，即K=Qw/Q，因?yàn)镼w小于Q，故K小于1。以實(shí)測值算得K值，然后借用暢流期的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行推流，再乘以改正系數(shù)K，就得冰期流量[8]。

3 冰期流量測次簡化分析

3.1 影響因素分析

冰期流量受斷面冰情影響較大，通常情況下較之暢流期，同水位下流量偏小。冰情跟氣溫有很大的關(guān)系，氣溫越低，覆蓋水流的冰層越厚，阻滯水流的作用越強(qiáng)，從而通過斷面的流量變小。利用沙里寨水文站2011—2019年實(shí)測冰情要素記錄進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，本站歷年冰期基本上從當(dāng)年11月下旬開始，經(jīng)過一段時(shí)期的流冰過程，12月中下旬河面被整個(gè)冰層覆蓋，開始長達(dá)2個(gè)月的封凍過程，進(jìn)入3月氣溫逐漸回暖，冰層開始融化至次年3月下旬冰情結(jié)束。從有冰到無冰可分為3個(gè)大的冰情時(shí)期，即流冰期、封凍期、解凍期，見表1。

表1 沙里寨站冰情要素統(tǒng)計(jì)

3個(gè)時(shí)期的流量或K值連續(xù)變化趨勢，基本上呈“U”型。也就是說從下半年暢流期經(jīng)過流冰期到封凍中期，流量是一個(gè)逐漸減小的過程；從封凍中期經(jīng)過解凍期到次年暢流期，流量是一個(gè)逐漸增大的過程。如圖1所示。

圖1 沙里寨水文站歷年K值變化過程

根據(jù)這一規(guī)律，每個(gè)時(shí)期可以選擇有代表性的1～2個(gè)流量實(shí)測點(diǎn)據(jù)來控制變化趨勢，這樣可以簡化掉很多中間的流量測次。

3.2 分析資料的選用

沙里寨水文站歷年在整個(gè)冰期內(nèi)都要加密流量測次，每月平均以4次計(jì)，總共施測流量約18次，測次分布基本上控制了整段冰情變化過程。單次流量采用8線2點(diǎn)法施測，測驗(yàn)精度比較可靠[9-10]。本次分析選用了2011—2019年連續(xù)9a冰期流量測驗(yàn)資料，資料系列長度滿足分析要求。

3.3 分析方法

將整個(gè)冰期按每月一次流量進(jìn)行精簡，注意在封凍開始和封凍結(jié)束的冰情變化轉(zhuǎn)折處應(yīng)保留原有測次，否則會(huì)產(chǎn)生較大的分析誤差[11]。用精簡測次后的流量點(diǎn)據(jù)重新計(jì)算改正系數(shù)K，利用水文資料整編軟件進(jìn)行整編推流，計(jì)算年徑流總量及冰期總量，并與原整編值比較，計(jì)算相對誤差。參照SL 195—2015表4二類精度站允許相對誤差指標(biāo)，年總量誤差不超過3.0%，冰期總量誤差不超過表6低枯水期允許相對誤差指標(biāo)[12]，則測次精簡成立，否則應(yīng)逐步增加測次重新進(jìn)行分析，直到合格為止。

3.4 時(shí)段量誤差分析

經(jīng)過測次精簡以后，年總量最大相對誤差為2.3%，連續(xù)9a的精簡誤差均未超過3%，見表2。分析產(chǎn)生較大誤差的原因是，2014年是枯水年份，冰期徑流量占全年的比重比較大，測次多少對控制流量變化的影響比較大，所以枯水年份應(yīng)謹(jǐn)慎對待，有必要增加流量測次。

表2 年徑流總量誤差評定 單位：108m3

精簡后的冰期總量誤差也不超過相應(yīng)的允許誤差指標(biāo)，按每月一次流量精簡在合理范圍之內(nèi)，見表3。

表3 冰期總量誤差評定 單位：108m3

4 結(jié)語

綜上分析可以得出，通過精簡測次后歷年年徑流總量及冰期總量誤差均不超過SL 195—2015規(guī)定的允許誤差指標(biāo)，可以按以下方法進(jìn)行冰期流量測驗(yàn)：冰期每月可施測流量1次；封凍開始及封凍結(jié)束時(shí)的冰情變化轉(zhuǎn)折處應(yīng)有測次控制；枯水年份應(yīng)適當(dāng)增加流量測次。