汭河袁家庵站測驗(yàn)方式優(yōu)化可行性分析

蒙雅雯 崔建和

(黃河水利委員會西峰水文水資源勘測局， 甘肅 慶陽 745000)

長期在站駐測是水文監(jiān)測延續(xù)了幾十年的傳統(tǒng)模式。隨著社會發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步以及先進(jìn)測報儀器的應(yīng)用，這種模式在一些偏遠(yuǎn)測站已不適應(yīng)。這些測站經(jīng)過多年大量的資料積累，人們對測站特性更加了解。通過對測站特性的分析，采用現(xiàn)代化的測報技術(shù)，為水位、雨量、蒸發(fā)的數(shù)據(jù)采集和自動傳輸，流量、泥沙的自動化或半自動化監(jiān)測，提高測站現(xiàn)代化水平等提供了技術(shù)支持。適時開展測驗(yàn)方式優(yōu)化分析工作，在條件具備的測站采用現(xiàn)代化的測報技術(shù)，從而逐步實(shí)現(xiàn)水文資料的自動采集和傳輸。水文站測驗(yàn)方式優(yōu)化的目的是提高水文監(jiān)測工作效率，為最終實(shí)現(xiàn)水文信息自動化監(jiān)測夯實(shí)基礎(chǔ)。牛亞豪[1]研究認(rèn)為人類活動對天然河道的水沙特性造成了極大的破壞，導(dǎo)致水文要素急劇變化，測驗(yàn)條件變差，工作量逐年增加，水文測驗(yàn)工作在未來會向在線化、應(yīng)急化、現(xiàn)代化方向發(fā)展。田峰等[2]從測站建設(shè)、巡測方式、測驗(yàn)手段、技術(shù)支撐等多方面進(jìn)行了分析探討，對水文巡測方案進(jìn)行了優(yōu)化，收到很好的效果。陳晨等[3]首次將無人機(jī)測流系統(tǒng)應(yīng)用于黑龍江中游的流量監(jiān)測上，對無人機(jī)測驗(yàn)系統(tǒng)在使用過程中常見問題進(jìn)行了細(xì)致的分析,并提出相應(yīng)的解決方法，對無人機(jī)測流的使用起到一定的推動作用。邱洋[4]對流量測驗(yàn)垂線進(jìn)行多次試驗(yàn)精簡，通過實(shí)踐證明，三條垂線可以控制整個斷面的流量，精簡方式下的流量測驗(yàn)精度可滿足水文測驗(yàn)規(guī)范要求，以此尋求測驗(yàn)方式改革，研究結(jié)果對同類水文站在測壓方式改革方面具有很好的參考價值。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水文測站巡測勢在必行，測驗(yàn)方式改革是一種必然形勢。最近幾年，大量學(xué)者[5-12]對水文巡測、測驗(yàn)方式等進(jìn)行了大量研究與優(yōu)化，旨在解放人力、減少投入成本、提高生產(chǎn)效率。但在水文巡測實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)大量存在的問題。王穎[13]認(rèn)為如何解決好這些潛在的問題，將是水文巡測能否成功的關(guān)鍵。而測驗(yàn)方式的優(yōu)化是水文測站能否巡測的基礎(chǔ)與技術(shù)支持，在巡測前開展測驗(yàn)方式的優(yōu)化是重中之重。在西北內(nèi)陸中小河流上尋求測驗(yàn)方式優(yōu)化辦法同樣存在諸多問題，如何解決好這些問題，需要更進(jìn)一步的分析，翻閱大量文獻(xiàn)[14-18]發(fā)現(xiàn)，針對西北干旱區(qū)中小河流水文巡測方面的研究較少。本文對汭河袁家庵站的實(shí)測資料進(jìn)行分析，在前述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，對該站測驗(yàn)方式進(jìn)行優(yōu)化，提出新的測驗(yàn)方案，為今后水文巡測做鋪墊，同時研究成果也可作為同類站在測驗(yàn)方式改革方面的數(shù)據(jù)支撐。

1 基本概況

1.1 測站概況

袁家庵站位于甘肅省平?jīng)鍪袥艽h城關(guān)鎮(zhèn)延豐村，位于黃河流域涇河水系一級支流汭河下游[19-24]，為流量測驗(yàn)三類精度站，集水面積1658km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°20′35″，北緯35°19′30″，至河口距離1.8km。測驗(yàn)河段順直長約600m，右岸為混凝土護(hù)岸，左岸為砂石土坡，中高水控制較好。河床由卵石淤泥組成，有沖淤變化。基下265m處有一彎道，基下1110m的右岸有支流何子溝匯入，基下1501m處有汭河大橋，基下1805m處是涇汭河匯合口，涇河發(fā)生大洪水時有回水頂托影響。基下1385m處有一座橡膠壩，對測驗(yàn)河段水流影響較小。

1.2 水沙特性

洪水主要來源于汭河安口以上，區(qū)間來水較少。水系形狀窄長，屬山溪性河流，縱比降較大，暴雨洪水匯流快，流域內(nèi)植被較好。洪水過程均為暴雨形成，多發(fā)生在7—8月。多年平均7—10月徑流量占年徑流量的61.3%，90.3%的泥沙來自6—9月。洪水漲落急劇且漂浮物較多，沙峰滯后于水峰，中高水受河槽控制，斷面有沖淤。水位流量關(guān)系曲線主要受沖淤影響，較為復(fù)雜。

含沙量橫向分布均勻，垂向變化很小近似直線。單斷沙關(guān)系為歷年綜合線，系數(shù)為1.00。多年平均徑流量為1.761億m3，其中5—10月徑流量占年徑流量的74.8%；近12年平均輸沙量為94.65萬t，其中7—9月輸沙量占年量的95.9%，選取2009—2020年含沙量資料統(tǒng)計進(jìn)行年內(nèi)分配計算，見表1。

表1 多年平均水沙量年內(nèi)分配

2 資料及研究方法

根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》(SL 34—2013)[25]要求，選用該站2009年遷站以來至2020年期間發(fā)生的洪水實(shí)測資料。對選定的流量資料進(jìn)行一致性分析，保證集水區(qū)域內(nèi)下墊面、人類活動對河道斷面的影響、測站控制條件等基本一致。同時，進(jìn)行流量資料可靠性分析，所使用資料均為經(jīng)過水文資料整編刊印的資料，資料系列12年，具有一定的代表性。對該站測驗(yàn)設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀、水位流量關(guān)系規(guī)律、單斷沙關(guān)系進(jìn)行分析，找到水文規(guī)律、符合規(guī)范優(yōu)化條件的測驗(yàn)項目采用優(yōu)化測驗(yàn)方式，對無條件的測驗(yàn)項目以配備先進(jìn)儀器方式改進(jìn)測驗(yàn)工作，制定優(yōu)化測驗(yàn)實(shí)施方案。

3 測驗(yàn)方式優(yōu)化研究

3.1 水位劃分

該站歷年最高水位1030.84m，最低水位1027.15m。最大流量750m3/s。按歷年最高、最低水位差作為計算變幅，按《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》(SL 34—2013)[25]規(guī)定，最高水位以下歷年實(shí)測最大水位變幅25%以上為高水位，最低水位以上歷年實(shí)測水位變幅25%以下為低水位級，其余的為中水位級?？梢詣澐譃椋焊咚篐≥1029.92m ；中水：1028.07m≤H≤1029.92m；低水：H≤1028.07m。

3.2 斷面沖淤變化分析

根據(jù)該站歷年實(shí)測大斷面資料點(diǎn)繪斷面圖，見圖1。計算其同水位(1029.00m)的面積及平均河底高程，見表2?？梢钥闯?，2012年、2019年、2020年左岸變化較大。經(jīng)調(diào)查知，2012年是受修建河堤影響，2019年是受修建河堤及基下260m濱河路向河道內(nèi)拓寬影響，2020年是受工程建設(shè)后續(xù)影響所致。歷年同水位面積最大為98.2m2，最小為56.4m2，最大變幅為41.8m2；歷年平均河底高程最高為1028.44m，最低為1027.62m，最大變幅為0.82m。由此可見，該站大斷面年際沖淤變化較小。

圖1 歷年實(shí)測大斷面套繪圖

表2 歷年同水位面積及平均河底高程變化

3.3 洪水期水位流量關(guān)系分析

收集該站2009年以來實(shí)測流量資料，點(diǎn)繪歷年洪水期水位流量關(guān)系曲線，見圖2，從圖中可以看出歷年洪水期水位流量關(guān)系呈現(xiàn)一個較寬的帶狀范圍。因此，經(jīng)過多次繪圖和檢驗(yàn)比較，將該站洪水期水位流量關(guān)系確定為四條線比較合理。

圖2 歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線

3.4 水位流量關(guān)系誤差分析

依據(jù)《水文資料整編規(guī)范》(SL/T 247—2020)[26]對該站歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線1、2、3、4號線分別進(jìn)行符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)、不確定度計算。結(jié)果如下。

3.4.1 符號檢驗(yàn)

對1、2、3、4號水位流量關(guān)系曲線符號進(jìn)行檢驗(yàn)計算，計算結(jié)果分別是：μ1=0.417，查得μ11-α/2=1.15，μ1<μ11-α/2；μ2=0.676，查得μ21-α/2=1.15，μ2<μ21-α/2；μ3=1.078，查得μ31-α/2=1.15，μ3<μ31-α/2；μ4=0.204，查得μ41-α/2=1.15，μ4<μ41-α/2。從以上檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，水位流量關(guān)系兩側(cè)點(diǎn)數(shù)分配均衡合理，關(guān)系曲線符號檢驗(yàn)合格。

3.4.2 適線檢驗(yàn)

對1、2、3、4號線分別進(jìn)行適線檢驗(yàn)計算，變換符號次數(shù)分別為：k=17≥0.5×(23-1)，k=24≥0.5(35-1)，k=16≥0.5×(31-1)，u2=0，查得μ2(1×α)=1.28，μ2<μ2(1-a)，則不做此項檢驗(yàn)，說明定線無明顯系統(tǒng)偏離，關(guān)系曲線適線檢驗(yàn)合格。

3.4.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

對1、2、3、4號線進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果分別為：t1=1.073，a=0.20；t2=1.156，a=0.20；t3=0.931，a=0.20；t4=0.931，a=0.20。查表得：t11-α/2=1.31，t1

3.4.4 不確定度計算

該站歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線1、2、3、4號線三項檢驗(yàn)均符合要求，對曲線分別進(jìn)行系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、不確定度統(tǒng)計，各項限差符合《水文資料整編規(guī)范》(SL/T 247—2020)要求。檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線誤差統(tǒng)計

3.4.5 檢驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)《水文巡測規(guī)范》(SL 195—2015)[27]中定線允許系統(tǒng)誤差不超過±2%、不確定度小于20%的規(guī)定，袁家庵站歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線系統(tǒng)誤差、不確定度均在允許范圍之內(nèi)。歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)均符合要求。結(jié)果說明：該站歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系曲線符合規(guī)范要求，可以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。

3.5 非洪水暢流期水位流量關(guān)系分析

非洪水暢流期主要包括洪水期和凌汛期(定日型測流期間)以外的平水期及流量在20.0m3/s以下的時期。從每年平水期或者一次洪峰過程流量小于20.0m3/s的實(shí)測流量中摘取實(shí)測點(diǎn)，點(diǎn)繪水位流量關(guān)系圖(見圖3)。

圖3 非洪水期水位流量關(guān)系

從圖3分析，非洪水暢流期低水水位流量關(guān)系散亂，無法定綜合單一線，根據(jù)低水實(shí)測點(diǎn)的走勢及點(diǎn)帶分布寬度將其概化為5條線。

3.6 泥沙測驗(yàn)優(yōu)化分析

袁家庵站沒有輸沙率測驗(yàn)項目，僅有單沙測驗(yàn)，故未作單斷沙關(guān)系分析。該站多年輸沙量年內(nèi)分配見表4。該站多年平均輸沙量為335.7萬t，其中7—8月輸沙量占年量的84.2%，7—9月輸沙量占年量的95.9%。根據(jù)《水文站網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)導(dǎo)則》(SL 34—2013)要求：“實(shí)行巡測的二、三類精度的泥沙(流量)站，當(dāng)每年低、枯水期和汛期的平水期輸沙量小于多年平均輸沙量的5%時，可以停測泥沙，停測期間的含沙量作零處理?！睋?jù)此，每年的1—6月、10—12月均可停測單沙。

表4 多年平均輸沙量年內(nèi)分配

4 測驗(yàn)方式優(yōu)化實(shí)施方案

4.1 流量測驗(yàn)

1—3月和11—12月，仍按規(guī)定采用定日型測流；4—10月測驗(yàn)停測流量，通過水位觀測，洪水期Q>20.0m3/s時選用歷年洪水期綜合水位流量關(guān)系線推流報汛或整編；暢流期Q≤20m3/s時利用非洪水暢流期概化水位流量關(guān)系線推流。非洪水暢流期水位流量關(guān)系概化為5條線。在平水期或洪水落平到20m3/s以下實(shí)測一次流量，點(diǎn)繪在概化線上，若此實(shí)測點(diǎn)接近于某條概化線，則使用該線推流，當(dāng)實(shí)測流量關(guān)系點(diǎn)位于兩線之間，距每條線的相對差達(dá)到10%時，則采用內(nèi)插曲線推流。除定日型測流時段外，任意兩次實(shí)測流量的時間間隔不超過50天，推流應(yīng)選用歷年綜合水位流量關(guān)系查算表。

4.2 泥沙測驗(yàn)

該站僅測單沙，以近似法推算斷沙。實(shí)測時段為每年的4—10月，優(yōu)化后方案可以改為每年的7—9月實(shí)測單沙，其他月份停測，停測月份按0處理。如果停測月份出現(xiàn)明顯沙峰及含沙量過程，應(yīng)實(shí)測單沙。建議有條件時，可逐步實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。

5 結(jié)論與建議

對袁家庵站的測驗(yàn)項目進(jìn)行優(yōu)化分析后，主要得出以下結(jié)論：

a.該站斷面沖淤變化較小，歷年平均河底高程最大變幅為0.82m，基本穩(wěn)定。

b.該站洪水期為4個系列的單一曲線，非洪水暢流期概化為5個系列的單一曲線。1—3月和11—12月，仍按規(guī)定采用定日型測流；4—10月測驗(yàn)停測流量；洪水期Q>20.0m3/s時采用洪水期綜合水位流量關(guān)系線推流報汛或整編；暢流期Q≤20m3/s時利用非洪水暢流期概化水位流量關(guān)系線推流。在平水期或洪水落平到20m3/s以下實(shí)測一次流量，若此實(shí)測點(diǎn)接近于某條概化線，則使用該線推流，當(dāng)實(shí)測流量關(guān)系點(diǎn)位于兩線之間，距每條線的相對差達(dá)到10%時，則采用內(nèi)插曲線推流。

c.每年的7—9月實(shí)測單沙，其他月份停測，停測月份按0處理。如果停測月份出現(xiàn)明顯沙峰及含沙量過程，應(yīng)實(shí)測單沙。建議有條件時，可逐步實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。

d.當(dāng)預(yù)計可能發(fā)生大于700m3/s以上洪水時，建議及時恢復(fù)流量測驗(yàn)，補(bǔ)充高水測點(diǎn)。