阿勒泰地區(qū)水文測站高洪期測流垂線精簡組合方案探討

阿依登別克·木拉提別克

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836599)

0 前 言

水文測站常用流量測定的方法為布設測流垂線，結合流速儀對不同測流垂線的斷面平均流速進行推求，并結合測深垂線確定的過水面積，一般采用面積包圍法進行流量的計算[1]。

按照《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015要求當水面寬度低于50m布設的測流垂線的條數(shù)不宜低于5條，尤其是在高洪時期為有效控制整個洪水過程，需要加密洪水期測流垂線的條數(shù)[2]。測流垂線條數(shù)較多的情況下，測流的時效性很難得到有效保證，對于突發(fā)洪水，測流數(shù)據的時效性是防洪決策的重要依據，因此當前，對于河道流量測驗的精簡方案在許多地區(qū)水文測站進行可行性探討，這些研究成果表明，通過對比觀測試驗，建立簡化測流垂線和傳統(tǒng)測流垂線之間的相關方程，選取相關系數(shù)較好的3-5條測流垂線，在高洪應急監(jiān)測中可以基本滿足流量的測驗精度[3-6]。近些年來，隨著水文測驗方式的不斷改革和創(chuàng)新，水文測流時效性也逐步成為關注熱點，而測流方式的簡化可有效降低測站人員水文測驗的勞動強度，提高測流時效性[7-10]。阿勒泰地區(qū)水文測站已逐步開展測流方式精簡的對比試驗，為此文章從測站工作實際出發(fā)，對阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站的測流垂線精簡方案進行對比分析，從而探討方案的可行性。

1 測流垂線布設方式

不同類型水文站按照《河流流量測驗規(guī)范》要求主要的布設方式為：

1)對于可行進行測流垂線精簡方案的水文測站應在多條測流垂線進行施測分析的基礎上，開展測流條數(shù)的精簡對比，探討精簡方案下的測流最優(yōu)數(shù)目。

2)為有效減少測流條數(shù)對流量測定隨機及系統(tǒng)誤差的影響，對不同測流垂線之間的間距進行合理設置，不同水位條件下各測流垂線之間的間距應嚴格按照不同類別水文站要求進行設定，一類、二類、三類水文測站其總的水面寬度與間距的比例分別為7%-10%、8%-11%以及9%-12%。

3)對于河流漫灘范圍較大以及寬度和深度比例較高的水文站測驗斷面，或者河床組成復雜的水文測站中泓觀測斷面，應盡量增加測驗斷面測流垂線的數(shù)目，滿足流量測驗的誤差要求。

4)對于水文情勢變化較大且未進行測流垂線精簡分析的水文站點，不能采用少線少點法進行測流時，應按照站點的實際測驗情況，進行測流數(shù)條數(shù)精簡方案分析，當水面寬度低于50m時測流條數(shù)一般不少于5條，其精簡方案下的測流誤差不高于浮標法的測流誤差。

5)對于河道主要水流方向或者河床較為不穩(wěn)定的測驗斷面，測流垂線的數(shù)目不宜太少，在流速脈動更高的區(qū)域，應盡量不布設測流垂線，在河道主要水流方向盡量多布設測流垂線的數(shù)目。

2 誤差分析方法

采用對比觀測方式對測流垂線的誤差進行分析，首先對水文站所在的河段地形、橫斷面、橫向流速分布以及水位流量進行整理和分析，制定研究站點的測流垂線精簡比測分析的試驗方案，試驗方案應針對不同水位級下進行測流垂線的均勻分布，在較為穩(wěn)定的水流條件下開展測流垂線的精簡分析，在進行對比觀測試驗時水位變化幅度需要結合站點的類別進行設定，一類水文站其水位變幅應低于0.1m，二類以及三類水文站其水位變幅應低于0.3m，不同水位級別測流垂線精簡方案下測流的次數(shù)不應低于20次，洪水期間測流垂線精簡對比試驗分析難度較大，因此應在水流較為穩(wěn)定的時期進行對比觀測試驗分析，水文測站測驗斷面水面寬度下的誤差分析分類如表1所示。

表1 不同水面寬度下的誤差分類標準

3 測流垂線精簡方案對比結果

3.1 試驗方法

以新疆阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站為實例，探討其測流垂線精簡方案的可行性，精簡垂線方案下的的水位面積按照《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015的要求進行試驗分析，試驗的方法為對比精簡和傳統(tǒng)測流方式進行同步觀測，對兩種方式下的流量進行分別測定，將測流垂線精簡方案下的群庫勒水文站流量測定值和傳統(tǒng)測流垂線方式下的水位-流量關系曲線進行對比分析。

3.2 測深垂線布設誤差檢驗

分別對傳統(tǒng)測深垂線方案和精簡測深垂線方案下的水位-流量關系按照《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015的要求進行誤差檢驗，檢驗結果如表2和表3所示。

表2 傳統(tǒng)測深垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關系誤差檢驗結果

表3 精簡測深垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關系誤差檢驗結果

從傳統(tǒng)測流垂線方案下和精簡測流垂線方案下的群庫勒水文站測定的相同水位量級下的水位-流量關系曲線分析結果可看出，兩種方法測定的各測次標準誤差、系統(tǒng)誤差以及隨機不確定度均為《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015的流量測驗誤差允許范圍內，因此在群庫勒水文站進行高洪應急監(jiān)測時可采用測流垂線精簡方案進行測流條數(shù)的精簡，一般可精簡到4-5條測深垂線，以提高測流的時效性。

3.3 測速垂線的布設誤差檢驗

在測深精簡方案探討的基礎上，分別對傳統(tǒng)測速垂線布設和精簡測速垂線布設方案下的水位-流量關系誤差進行檢驗，檢驗結果如表4和表5所示。

表4 傳統(tǒng)測速垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關系誤差檢驗結果

表5 精簡測速垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關系誤差檢驗結果

從傳統(tǒng)測速垂線方案下和精簡測速垂線方案下的群庫勒水文站測定的相同水位量級下的水位-流量關系曲線分析結果可看出，兩種方法測定的各測次標準誤差、系統(tǒng)誤差以及隨機不確定度均為《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015的流量測驗誤差允許范圍內，因此在群庫勒水文站進行高洪應急監(jiān)測時可采用測速垂線精簡方案進行測速垂線條數(shù)的精簡，一般可精簡4條測速垂線，以提高測速的時效性。

4 精簡方案下的流量誤差分析

對兩種方案下的流量測定誤差進行不同累積誤差頻率的分析，分析結果如表6所示。

表6 兩種測驗方案下的群庫勒水文站流量測定累積誤差分析結果

在誤差累積頻率分別為65%和75%下傳統(tǒng)測深垂線和精簡測深垂下方案下群庫勒水文站的誤差值均滿足《河流流量測驗規(guī)范》GB50179-2015的誤差允許范圍要求，傳統(tǒng)測深垂線布設方案下的誤差要好于精簡測深垂線的誤差分布累積值。在群庫勒水文站兩種測速方案下其累積頻率誤差值也可滿足流量測驗的規(guī)范要求，可見在群庫勒水文站進行測深和測速精簡組合方案下其可以滿足站點的流量測定精度的要求。

5 對比分析結論

1)采用測深和測速垂線精簡組合方式下，群庫勒水文站對比觀測的水位-流量關系的標準誤差、系統(tǒng)誤差以及不確定度均在誤差允許范圍內，在群庫勒水文站進行應急洪水監(jiān)測時，可結合實際洪水情況進行精簡方案的流量施測，提高流量測定的時效性。

2)采用精簡測驗方案下可以降低測站人員工作強度，提高洪水監(jiān)測的時效性，但在洪水監(jiān)測期若來水變化較大，斷面沖淤變化幅度較高時還需要對測流垂線進行加密觀測，等同步對比觀測數(shù)據系列長度較多時，再進行測流垂線的精簡方案分析，制定群庫勒水文站最佳的精簡測洪方案。