沭陽水文站南偏泓測(cè)流斷面流量測(cè)速垂線精簡(jiǎn)分析

周春煦 劉 昊 王 露

(1.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010;2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局宿遷分局，江蘇 宿遷 223800)

1 引 言

流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過某一過水?dāng)嗝娴乃w體積，是河流十分重要的水文特征，是反映水庫(kù)、湖泊以及河水等水量變化的重要因素，也是測(cè)驗(yàn)河段最為重要的水文要素。流量測(cè)驗(yàn)的方法非常多，常用的方法包括流速面積法、水力學(xué)法、化學(xué)法、直接法等。其中化學(xué)法和直接法直接適用于小流量測(cè)流，水力學(xué)法相對(duì)簡(jiǎn)單，通過測(cè)定水位和率定好的流量系數(shù)(水位流量關(guān)系),計(jì)算出流量,適合實(shí)測(cè)和在線監(jiān)測(cè);物理法是利用聲、光、電、磁等物理學(xué)原理測(cè)定流量,有超聲波法、電磁法和光學(xué)法。物理法有以下優(yōu)點(diǎn):儀器不干擾原來的水流結(jié)構(gòu)，可以快速、連續(xù)地測(cè)流，操作安全。流速面積法是最基本、最常用的一種測(cè)流方法,由測(cè)量的流速乘以測(cè)算的過水?dāng)嗝婷娣e得到。由于江河水文站受到多種因素的影響導(dǎo)致其流量變化日益復(fù)雜，為更好地分析江河流量變化情況，我國(guó)水文領(lǐng)域采用了多元化的方法對(duì)流量資料加以分析。近年來，我國(guó)水文領(lǐng)域?qū)⒀芯恐匦姆旁诹巳绾卧诜弦?guī)范的前提下，更快速、更準(zhǔn)確地對(duì)水文資料進(jìn)行獲取。本文以沭陽水文站為研究對(duì)象，對(duì)其南偏泓測(cè)流斷面流量測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)分析，以加強(qiáng)此方面的深入研究。

2 概 述

2.1 測(cè)站概況

沐陽水文站建于1950年7月，該站位于新沂河腰部，地處江蘇省沭陽縣北京南路，地理位置為東經(jīng)118°45′43.4″，北緯34°08′37.0″，距嶂山閘43km，集水面積495.97km2。多年平均降水量為918.0mm，其中最大降水量為1974年的1330mm，最小降水量為1978年的531.9mm，最大年蒸發(fā)量為1966年的1544.6mm，最小年蒸發(fā)量為2003年的673.2mm。該站連續(xù)觀測(cè)至今，為汛期水文站，河床為兩合土，流速儀測(cè)流斷面設(shè)在新沂河大橋下游510m處，河寬1282m。水位流量關(guān)系主要和洪水漲落有關(guān)，呈逆時(shí)針繩套形。該站所使用的基面為廢黃河口基面，實(shí)測(cè)最高水位為10.76m，發(fā)生于1974年8月16日，最大流量6900m3/s，為歷史最大值。

2.2 測(cè)驗(yàn)河段特征

該站位于距嶂山閘(起點(diǎn))43km處，測(cè)驗(yàn)河斷順直，斷面穩(wěn)定。流速儀測(cè)流斷面設(shè)置在新沂大橋下游510m處，河寬1287.5m，屬于典型的雙復(fù)式斷面。2007年進(jìn)行整治，2008年底整治工程正式結(jié)束，北偏泓河槽拓寬至190m，南偏泓河槽拓寬至280m。沭陽站以上包括淮沭新河、老沭河等多條支流，兩岸分別建有鹽河南、北閘以及小潮河閘等。圖1為沭陽水文站流速儀測(cè)流斷面，圖2為沭陽水文站南泓斷面測(cè)深、測(cè)速垂線分布。

圖1 2013—2018年新沂河沭陽水文站流速儀測(cè)流斷面

圖2 沭陽水文站南泓斷面測(cè)深、測(cè)速垂線布設(shè)

3 測(cè)驗(yàn)方法及資料選擇

根據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50138—2010)、《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)和《水文測(cè)驗(yàn)實(shí)用手冊(cè)》的技術(shù)規(guī)定，采用該站2017年6—9月南偏泓測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?？紤]到資料存在不確定因素，在率定前對(duì)所有比測(cè)資料進(jìn)行合理性檢查，選擇河道水流較為穩(wěn)定時(shí)期的比測(cè)資料作為樣本參與單斷速關(guān)系率定，樣本數(shù)應(yīng)大于30。根據(jù)上述原則完成篩選，最終明確參與本次單斷速關(guān)系率定采用的樣本數(shù)為216次，控制水位不大于8.50m。

3.1 測(cè)站概況

本次分析采用新沂河沭陽水文站2017年6—9月南偏泓測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，考慮到比測(cè)資料的不確定因素，率定前，對(duì)全部比測(cè)資料進(jìn)行合理性檢查，選取河道水流較為穩(wěn)定時(shí)期的比測(cè)資料作為樣本參與單斷速關(guān)系率定。在測(cè)驗(yàn)過程中，對(duì)影響測(cè)流精度的測(cè)次資料予以棄用。參與率定的測(cè)次樣本數(shù)應(yīng)大于30，以便確定最適宜的垂線和檢測(cè)流速的換算圖表或系數(shù)，并盡可能涵蓋斷面平均流速變化范圍。根據(jù)上述原則進(jìn)行篩選后，確定參與本次單斷速關(guān)系率定所采用的樣本數(shù)為216次，控制水位為不大于8.50m。

3.2 計(jì)算分析方法

在控制水位以下范圍內(nèi)的測(cè)速垂線中，選定主流及其附近的一條或幾條測(cè)速垂線，摘錄出實(shí)測(cè)流速，采用試算法多次計(jì)算不同垂線單位流速組合，根據(jù)計(jì)算出的垂線單位流速(算術(shù)平均)，見式(1)，和每測(cè)次的斷面平均流速，通過點(diǎn)繪關(guān)系線圖，定出兩者的換算系數(shù)K，見式(2)，并優(yōu)選精度較高的相關(guān)系數(shù)。

(1)

式中vc——垂線單位流速,m/s；

v′c——不同垂線單位流速,m/s；

n——垂線數(shù)量。

vd=Kvc

(2)

式中vd——斷面平均流速,m/s；

K——斷面平均流速轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4 垂線精簡(jiǎn)分析

4.1 斷面穩(wěn)定性分析

根據(jù)2013—2018年以來測(cè)站大斷面的測(cè)量成果，控制水位8.50m所對(duì)應(yīng)的過水面積分別為785m2、785m2、789m2、787m2、786m2、784m2。計(jì)算結(jié)果表明：沭陽水文站水位和面積關(guān)系點(diǎn)的偏離曲線均符合《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)第3.1.4條的規(guī)定，這證明沭陽水文站測(cè)流斷面南偏泓河床穩(wěn)定，河道部分沖淤不大，基本穩(wěn)定。

4.2 精簡(jiǎn)測(cè)速垂線的原因及方法選擇

界首站當(dāng)前常用流量測(cè)驗(yàn)方法為纜道流速儀法，采用一點(diǎn)法施測(cè)。測(cè)流時(shí)受到上下游大橋以及兩端障礙物的影響，存在不能及時(shí)觀察上下游來往船只情況的問題。在測(cè)流的過程中，從避讓船只到恢復(fù)測(cè)流需要花費(fèi)雙倍的纜道運(yùn)行時(shí)間，而且容易出現(xiàn)避讓不及的情況。為了減少纜道測(cè)流設(shè)備在主航道停留的時(shí)間，縮短測(cè)流歷時(shí)，減少測(cè)流過程中的安全隱患，對(duì)主航道內(nèi)測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)十分必要。界首站纜道流速儀法流量測(cè)驗(yàn)為全斷面測(cè)量，保留現(xiàn)有測(cè)深垂線不影響施測(cè)過程和施測(cè)時(shí)長(zhǎng)。沭陽水文站目前常用流量測(cè)驗(yàn)方法為電動(dòng)水文纜道、LS68型流速儀法，采用一點(diǎn)法進(jìn)行施測(cè)。在南泓河槽起點(diǎn)距1110.0～1170.0m之間，總共設(shè)置8條測(cè)深、測(cè)速垂線。對(duì)相對(duì)水深0.6m處進(jìn)行垂線流速施測(cè)，測(cè)點(diǎn)測(cè)速歷時(shí)60s，洪水期搶測(cè)洪峰時(shí)適時(shí)縮短至30s，水深采用借用水深。一般常測(cè)法測(cè)流歷時(shí)20～60min，采取連時(shí)序法或連實(shí)測(cè)流量過程法進(jìn)行推流。為減少纜道測(cè)流設(shè)備所停留的時(shí)間，縮短測(cè)流歷時(shí)，減少測(cè)流過程中的安全隱患，對(duì)測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)十分必要。采取瓶式采樣器，在基本水尺斷面上510m處，采取水邊一線水面一點(diǎn)法進(jìn)行取樣，當(dāng)基本斷面低于8.50m時(shí)，分別在南、北泓基本斷面起點(diǎn)距1170m、120m的測(cè)速垂線處取單沙水樣，高水期含沙量取樣共布設(shè)14條取樣垂線，采取實(shí)測(cè)單沙過程法加以推測(cè)。

4.3 精簡(jiǎn)前后斷面流量相關(guān)關(guān)系分析

以2017年6—9月共計(jì)216次實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)為依據(jù)，精簡(jiǎn)起點(diǎn)距1110.0m處測(cè)速垂線，保留其測(cè)深垂線，計(jì)算精簡(jiǎn)后斷面流量。結(jié)合實(shí)測(cè)流量計(jì)算中采用借用斷面的不同，以斷面平均流速作為依據(jù)，篩選出的控制水位下精度較高的測(cè)次樣本數(shù)已大于30項(xiàng)，符合規(guī)范，根據(jù)所取的比測(cè)數(shù)據(jù)共216次合并定線，得到線性關(guān)系圖(見圖3)，在不考慮借用斷面影響的情況下，精簡(jiǎn)起點(diǎn)距1020.0m處測(cè)速垂線并保留其測(cè)深垂線，精簡(jiǎn)前后，斷面流量之間的線性關(guān)系良好，相關(guān)關(guān)系式為vd=0.91vc，確定性系數(shù)R2為0.9953，擬合度很高，且擬合效果極好。

圖3 新沂河沭陽水文站單斷速關(guān)系線

4.4 誤差分析

由圖3可知，精簡(jiǎn)前后，斷面流量線性關(guān)系非常好。R2為0.9953，趨近于1，關(guān)系式趨近于y=x，為便于實(shí)際計(jì)算，精簡(jiǎn)后斷面流量系數(shù)定為1.00。將精簡(jiǎn)前斷面流量與精簡(jiǎn)后斷面流量進(jìn)行誤差分析(見圖4)，系統(tǒng)誤差為-0.20%，累計(jì)頻率75%以上的誤差為4%。累計(jì)頻率95%以上的誤差為7%，符合誤差限界規(guī)定，本方案可行。

圖4 沭陽水文站南偏泓測(cè)流斷面流量和精簡(jiǎn)后斷面流量誤差分析

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過對(duì)新沂河沭陽水文站南偏泓斷面平均流速和垂線單位流速測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析并進(jìn)行率定，得到單斷速關(guān)系系數(shù)為0.91。本次比測(cè)及資料分析符合規(guī)范要求，單斷速關(guān)系率定成果合理，定線精度符合規(guī)范限界要求，單斷速關(guān)系可在控制水位8.50m以下范圍內(nèi)作為流速儀法測(cè)驗(yàn)的常用測(cè)洪方法，超出此范圍采用常測(cè)法測(cè)驗(yàn)。采用簡(jiǎn)測(cè)法時(shí)通過施測(cè)起點(diǎn)距1110.0m、1170.0m兩條垂線平均流速后計(jì)算得出垂線單位流速，乘以相關(guān)系數(shù)推求斷面平均流速，建立水位-面積關(guān)系曲線，根據(jù)測(cè)時(shí)水位查算斷面面積，乘以斷面平均流速得出斷面流量。

5.2 建議

a.在日常工作中要強(qiáng)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集，根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求對(duì)已經(jīng)建立的單斷速關(guān)系進(jìn)行檢定。

b.如果水位超過8.50m，則依然采取原有的測(cè)洪方案對(duì)斷面流量進(jìn)行實(shí)測(cè)。為了確保成果準(zhǔn)確，在完成聲學(xué)多普勒流速剖面儀(V-ADCP)設(shè)備安裝調(diào)試后，加強(qiáng)數(shù)據(jù)樣本收集，對(duì)單斷速關(guān)系精度加以檢定，將成果投入運(yùn)行。