益門鎮(zhèn)站代表垂線流速與斷面平均流速關(guān)系分析

劉戰(zhàn)勝

（寶雞水文水資源勘測(cè)中心,陜西 寶雞 721006）

1 概況

1.1 測(cè)站概況

益門鎮(zhèn)水文站建于1955 年5 月,為秦嶺北麓地區(qū)渭河右岸一級(jí)支流區(qū)域代表站,屬省級(jí)重要站,二類精度水文站。該站地處寶雞市渭濱區(qū)神農(nóng)鎮(zhèn)益門堡村,集水面積219 km2,距河口5.4 km。河道縱比降較大,河水漲落起伏較快,流速大。建站以來實(shí)測(cè)最大流量733 m3/s,發(fā)生于1981.8.21。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有水位,流量,泥沙,降水量,墑情等。

1.2 測(cè)驗(yàn)河段及斷面情況

本站測(cè)驗(yàn)河段順直,河床由沙卵石組成,形狀呈“U”型,左岸為自然河堤,右岸河堤為人工堤防,上游約150 m處有石拱橋一座。測(cè)驗(yàn)河段共布設(shè)上、中、下五個(gè)測(cè)驗(yàn)斷面,基本水尺斷面兼流速儀測(cè)流斷面及浮標(biāo)中斷面,上下比降斷面間距200 m,上下浮標(biāo)斷面間距100 m?；緮嗝婧訉?8 m,斷面沖淤變化較小,測(cè)站控制穩(wěn)定。

益門鎮(zhèn)站近年來測(cè)驗(yàn)河段、河床及河道相對(duì)穩(wěn)定,流態(tài)平穩(wěn),斷面內(nèi)無分流串溝現(xiàn)象,主流位置穩(wěn)定,斷面流速分布相對(duì)均勻,流速關(guān)系受水位變化因素較少,滿足使用單一的代表流速關(guān)系推求斷面平均流速。益門鎮(zhèn)站2020 年實(shí)測(cè)大斷面圖見圖1。

圖1 益門鎮(zhèn)站2020年實(shí)測(cè)大斷面圖

1.3 水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施

本站在基本斷面架設(shè)水文測(cè)流纜道1 套,纜道測(cè)洪能力為 264 m3/s（5 年一遇）,纜道行車架上裝有雷達(dá)流速儀1 套,當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)洪水流量時(shí)、可采用水文纜道、雷達(dá)流速儀、浮標(biāo)及比降面積等方法進(jìn)行測(cè)流。

2 分析的緣由

由于清姜河屬山溪性河流,洪水一般來勢(shì)較猛,陡漲陡落,洪水時(shí)測(cè)速歷時(shí)較長,搶測(cè)洪水時(shí)要按多線多點(diǎn)法布設(shè)測(cè)速垂線、施測(cè)多條垂線流速,就會(huì)增加一定的人力、物力和時(shí)間,難以把握搶測(cè)洪水有效時(shí)機(jī)。

為確保在較大洪水時(shí),測(cè)得及時(shí)、測(cè)得準(zhǔn)確,收集益門鎮(zhèn)站2020 年全年實(shí)測(cè)流量記載資料,根據(jù)每條測(cè)速垂線與斷面平均流速進(jìn)行資料對(duì)比分析,對(duì)起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m處的4 條測(cè)速垂線流速與斷面平均流速進(jìn)行穩(wěn)定性分析,尋找代表性垂線。

3 資料分析

3.1 分析方法

根據(jù)2020 年益門鎮(zhèn)站實(shí)測(cè)的109 份實(shí)測(cè)流量資料,將全年實(shí)測(cè)流量起點(diǎn)距29.0 m~50.0 m范圍內(nèi)施測(cè)的起點(diǎn)距29.0 m、30.0 m、31.0 m、33.0 m、34.0 m、35.0 m、36.0 m、37.0 m、39.0 m、40.0 m、42.0 m、45.0 m、48.0 m、50.0 m的14 條垂線實(shí)測(cè)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì),通過對(duì)比分析選用垂線測(cè)次達(dá)67 次以上、流速相對(duì)穩(wěn)定的起點(diǎn)距30.0 m、33.0 m、35.0 m、40.0 m四條主流測(cè)速垂線參加代表垂線流速~斷面平均流速進(jìn)行相關(guān)分析、檢驗(yàn)及誤差評(píng)定,從而檢驗(yàn)評(píng)定所選用的垂線流速與斷面平均流速的相對(duì)誤差及標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差是否符合整編的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù),最終確定出符合精度及質(zhì)量要求的代表垂線。

3.2 資料選用

1）本次分析資料選用益門鎮(zhèn)水文站2020 年1 月~12 月全年測(cè)流111 次（流速儀法109 次、浮標(biāo)法2 次）［1］,本次分析計(jì)算值均為流速儀法測(cè)次。流速儀法實(shí)測(cè)最大流量165 m3/s（相應(yīng)水位638.97 m）、最小流量 0.361 m3/s （相應(yīng)水位636.75 m）。選用資料符合水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)及規(guī)范要求,資料成果已通過整編、真實(shí)可靠、滿足分析要求。

2）參加分析的所有測(cè)次均符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定要求,測(cè)深測(cè)速點(diǎn)無異常,對(duì)應(yīng)測(cè)次的流量資料均加入年度資料整編,無舍棄點(diǎn)。

3）全年流量測(cè)速垂線在起點(diǎn)距29.0 m~50.0 m范圍內(nèi),對(duì)109 次流速儀實(shí)測(cè)的流量資料（其中在35.0 m處測(cè)速垂線73 次）全部進(jìn)行分析計(jì)算,確保數(shù)據(jù)分析中所取資料的全面性、代表性、一致性。

3.3 分析依據(jù)

1）依據(jù)水利部水文局編寫的《水文測(cè)驗(yàn)》教材中“代表流速關(guān)系線一般為整體或分段的一次方程式,也可是整體的一元二次方程式,對(duì)于復(fù)雜情況應(yīng)分段定線,但不應(yīng)采取3 次以上的方程式。截距C的值一般不要超過0.05 m/s”［2］規(guī)定。在關(guān)系線定線中依據(jù)本條規(guī)定,分別試算不同的定線方法,最終選用C值較小,R值近似1.0 的二次方程式作為分析的關(guān)系線。Vc=A×Vt2+b×Vt+C（式中Vc為斷面平均流速；Vt為代表流速；A、B、C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),由計(jì)算確定）。

2）依據(jù)陜西省水文水資源勘測(cè)局2001 年《水文資料整編規(guī)范》（補(bǔ)充規(guī)定）中對(duì)水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)：“關(guān)系點(diǎn)分布成一帶狀,無明顯系統(tǒng)偏離,75%以上的點(diǎn)子與關(guān)系曲線的偏離相對(duì)誤差限度（二類精度水文站,流速儀法高中水不超過±8%,低水及水面浮標(biāo)法不超過±11%）”［3］。

3.4 流速垂線相關(guān)分析

3.4.1 相關(guān)關(guān)系圖繪制

根據(jù)實(shí)測(cè)的起點(diǎn)距30.0 m、33.0 m、35.0 m、40.0 m四條測(cè)速垂線與斷面平均流速繪制相關(guān)關(guān)系圖,得出各起點(diǎn)距的相關(guān)關(guān)系,見圖2。

圖2 各起點(diǎn)距的相關(guān)關(guān)系圖

從圖2 中可以看出起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m四條測(cè)速垂線的相關(guān)關(guān)系R值為0.994~0.999,接近于1.0,說明4 條垂線其相關(guān)關(guān)系良好,滿足相關(guān)規(guī)定的誤差要求。

3.4.2 相對(duì)誤差及累計(jì)頻率分析

對(duì)起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m四條測(cè)速垂線相關(guān)擬合方程推算出其相關(guān)的垂線流速,計(jì)算其相關(guān)流量及流量的相對(duì)誤差,然后將換算后的流量相對(duì)誤差按照從小到大的順序進(jìn)行排序,進(jìn)行相對(duì)誤差分析及累積頻率分析,起點(diǎn)距35.0 m各項(xiàng)誤差分析見表1~表2 （其余3 條垂線計(jì)算表1 略）。

表1 益門鎮(zhèn)站起點(diǎn)距35.0 m垂線與斷面流速、流量、累積頻率計(jì)算表

表2 益門鎮(zhèn)站起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m測(cè)速垂線誤差分析一覽表

續(xù)表1

續(xù)表2

從表2 可以看出起點(diǎn)距30.0 m、33.0 m、40.0 m累積頻率達(dá)75%及95%以上的相對(duì)誤差均不能滿足陜西省水文局資料整編（補(bǔ)充規(guī)范）中對(duì)二類精度水文站規(guī)定的誤差要求。僅有35.0 m測(cè)速垂線滿足該項(xiàng)誤差要求。

3.4.3 關(guān)系曲線檢驗(yàn)

依據(jù)建立的線性相關(guān)關(guān)系,由回歸方程推算出的垂線平均流速,計(jì)算出相應(yīng)流量,與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行誤差計(jì)算,進(jìn)行相關(guān)關(guān)系合理性檢驗(yàn),關(guān)系曲線檢驗(yàn)結(jié)論見表3。

表3 益門鎮(zhèn)站起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m測(cè)速垂線各項(xiàng)檢驗(yàn)一覽表

通過對(duì)4 條測(cè)速垂線計(jì)算的相關(guān)流量,分別與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn),三種檢驗(yàn)結(jié)果為起點(diǎn)距30.0 m檢驗(yàn)均不合格,其余3 條垂線均通過三項(xiàng)檢驗(yàn),且系統(tǒng)誤差均小于±1%,但33.0 m、40.0 m 2 條垂線隨機(jī)不確定度均略大于規(guī)范誤差要求的水位流量單一曲線法定線二類站精度±10%要求［4］。起點(diǎn)距35.0 m各項(xiàng)指標(biāo)均符合定線精度各項(xiàng)檢驗(yàn)要求,可作為代表垂線作為本站斷面平均流速的流量測(cè)驗(yàn)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）通過以上綜合分析,起點(diǎn)距35.0 m符合各項(xiàng)誤差分析及評(píng)定,可作為代表流速垂線計(jì)算斷面平均流速,推算斷面流量。其相關(guān)關(guān)系公式為：

式中：Vt代表垂線平均流速,m/s；Vc代表斷面平均流速,m/s。

當(dāng)水位在638.97 m以下時(shí),起點(diǎn)距35.0 m處測(cè)速垂線可作為代表垂線作為斷面平均流速的流量測(cè)驗(yàn),滿足本站流量測(cè)驗(yàn)精度要求。對(duì)于超過該水位時(shí),應(yīng)及時(shí)恢復(fù)流量測(cè)驗(yàn),待積累一定資料后再重新進(jìn)行分析。

2）當(dāng)水位測(cè)驗(yàn)超出外延控制線時(shí)應(yīng)及時(shí)恢復(fù)全斷面流量測(cè)驗(yàn),并及時(shí)補(bǔ)充比測(cè)。對(duì)于超過分析水位的關(guān)系線,定線時(shí)外延幅度不應(yīng)超過±10%。

4.2 建議

1）代表流速法施測(cè)期間,流速測(cè)驗(yàn)方法應(yīng)與原測(cè)流方案及測(cè)驗(yàn)方法和儀器設(shè)備保持一致,確保代表流速關(guān)系使用的一致性和測(cè)驗(yàn)資料的可靠性。

2）洪水測(cè)流期間,如發(fā)現(xiàn)河床及測(cè)驗(yàn)斷面有明顯的變化時(shí),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行關(guān)系線的檢驗(yàn)及校測(cè)。代表流速關(guān)系受到影響時(shí)應(yīng)及時(shí)恢復(fù)常測(cè)法流量測(cè)驗(yàn)。

3）代表流速關(guān)系線應(yīng)每年進(jìn)行檢驗(yàn)和率定。經(jīng)連續(xù)3 年以上率定關(guān)系線偏離均不超過5%時(shí),可改為2~3 年率定一次,但每年都必須進(jìn)行檢驗(yàn)。

4）本次分析的水位級(jí)636.75 m~638.97 m,幅度較低,今后應(yīng)加強(qiáng)638.97 m以上水位的流量測(cè)驗(yàn)資料收集,逐步提高流速儀代表垂線的測(cè)驗(yàn)幅度。