水文站流量測(cè)次簡(jiǎn)化分析研究

李向明

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

1 測(cè)站概況

1.1 測(cè)站基本情況

龍灣水文站位于鳳城市大堡鎮(zhèn)紀(jì)家村，是鴨綠江二級(jí)支流八道河下游的控制站，集水面積為854km2，距八道河河口12km。該站常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有水位、流量、降水、冰情、水質(zhì)、地下水6類，并兼顧水文測(cè)量及水文調(diào)查補(bǔ)充項(xiàng)目。該站為區(qū)域代表站，主要功能為積累長(zhǎng)期水文資料系列，探索研究區(qū)域水文特性規(guī)律，流域水資源管理及分析評(píng)價(jià)，水功能區(qū)水質(zhì)分析檢測(cè)，水文情報(bào)預(yù)報(bào)并負(fù)責(zé)向國(guó)際、國(guó)家各級(jí)防汛抗旱指揮機(jī)構(gòu)報(bào)送水情信息。目前水位采用氣泡水位計(jì)自動(dòng)觀測(cè)，輔以直立式水尺人工校測(cè)。該站降水采用稱重式雨雪量計(jì)自動(dòng)觀測(cè)，虹吸雨量計(jì)及人工雨量器作為備用觀測(cè)手段。該站流量測(cè)驗(yàn)精度為三類，主要測(cè)驗(yàn)方式為低枯水流速儀涉水施測(cè)，中高水流速儀水文纜道施測(cè)，特殊情況下采用纜道雷達(dá)波流速儀、中泓浮標(biāo)或比降面積法施測(cè)。其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目都采用人工監(jiān)測(cè)。

1.2 測(cè)站基本水文特性

龍灣水文站歷史最高洪水位99.93m，歷史最大洪峰流量4640m3/s，均發(fā)生于1960年8月4日。洪水主要來(lái)源于八道河中上游，洪水漲落急劇，洪峰多為單峰型。該站水位在93.00m以下時(shí)處于枯水期，在93.00～93.30m時(shí)處于低水期，在93.30～94.40m時(shí)處于中水期，在94.40m以上時(shí)處于高水期。低枯水期水流集中在河道左岸，水流較急，河窄且水淺，河寬不足40m，水深不足1m。中高水期水流湍急，河寬可增至200m，漲洪階段水面漂浮物較多。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約800m，河床較為平整，底質(zhì)以砂卵石為主。斷面左岸最低，向右岸平緩升高，根據(jù)2011—2021年實(shí)測(cè)大斷面資料統(tǒng)計(jì)分析，左岸河床有逐年下切的趨勢(shì)，右岸河床基本保持不變。中高水歷年最大斷面變化率30.9%，斷面受洪水沖刷影響較為明顯。但歷年水位流量關(guān)系仍為單一曲線。水文站上下游均無(wú)大型水利工程，中高水不受水利工程蓄放水影響，河道水流處于天然狀態(tài)。

2 技術(shù)路線

根據(jù)SL 195—2015《水文巡測(cè)規(guī)范》和GB 50179—2015《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合各水文站的設(shè)站目的和功能需求等實(shí)際情況，從以下4個(gè)方面進(jìn)行可行性分析：①調(diào)查了解水文站所在的流域概況，水文站網(wǎng)及水利工程分布，交通及通訊條件，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等基本情況；②利用已收集的實(shí)測(cè)資料，對(duì)測(cè)站進(jìn)行斷面穩(wěn)定性分析，掌握測(cè)站測(cè)驗(yàn)斷面受沖淤影響在空間和時(shí)間上的變化程度以及測(cè)站控制條件轉(zhuǎn)移變化規(guī)律；③根據(jù)測(cè)站5年以上連續(xù)實(shí)測(cè)資料，分析實(shí)測(cè)關(guān)系點(diǎn)據(jù)或單值化關(guān)系點(diǎn)據(jù)對(duì)當(dāng)年和歷年綜合關(guān)系線的定線誤差以及間測(cè)偏離誤差，確定水位流量關(guān)系線處理方法；④按照一定原則對(duì)已收集的實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行測(cè)次精簡(jiǎn)，計(jì)算精簡(jiǎn)測(cè)次后各時(shí)段總量的誤差，論證可能到達(dá)的測(cè)驗(yàn)精度與允許誤差的關(guān)系，合理確定測(cè)驗(yàn)頻次[1-2]。

3 水位流量關(guān)系與測(cè)次布置分析

3.1 資料收集處理

按照SL 195—2015相關(guān)要求，對(duì)龍灣水文站5年以上連續(xù)實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行分析。針對(duì)暢流期，對(duì)選取的資料系列的符合性從以下4個(gè)方面進(jìn)行判別處理：①所選系列豐平枯水年各占比重；②所選系列實(shí)測(cè)流量相應(yīng)水位變幅占?xì)v年水位變幅比重；③各分級(jí)水位中實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)個(gè)數(shù)；④各年推流方法。選取的資料系列情況見(jiàn)表1。

表1 龍灣水文站資料系列情況統(tǒng)計(jì)表

從表1來(lái)看，龍灣水文站8年連續(xù)實(shí)測(cè)資料系列按GB/T 50095—2014《水文基本術(shù)語(yǔ)和符號(hào)標(biāo)準(zhǔn)》豐、平、枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)，2年為豐水年，2年為平水年，4年為枯水年，豐、平、枯水年資料齊全[3]。所選資料中實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)高水83個(gè)，中水183個(gè)，低枯水223個(gè)，滿足樣本數(shù)量要求。實(shí)測(cè)流量相應(yīng)水位變幅5.05m，占?xì)v年水位變幅100%，所選資料系列符合分析要求。

3.2 間測(cè)誤差分析

SL195—2015相關(guān)規(guī)定：通過(guò)5年以上資料分析證明，每年的水位流量關(guān)系線與歷年綜合關(guān)系線最大偏離不超過(guò)允許誤差，流量可實(shí)行間測(cè)。將龍灣水文站2014—2021年所有暢流期實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)合繪在1張圖上，通過(guò)點(diǎn)群中心定出1條綜合的水位流量關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 龍灣水文站歷年綜合關(guān)系線圖

通過(guò)各年關(guān)系線與綜合線比較分析，龍灣水文站各年關(guān)系線與綜合線最大偏離相對(duì)誤差低水為105.5%，中水93.30～93.80m之間最大偏離誤差為25.3%，中水93.80～94.40m最大偏離誤差為9.5%，高水最大偏離誤差為6.9%。綜上分析，龍灣水文站水位在93.80m以上時(shí)，每年關(guān)系線與綜合線最大偏離誤差未超過(guò)SL 195—2015第4.5.8條規(guī)定的3類精度站允許誤差。按規(guī)范第4.2.6條c)款要求，水位在93.80～97.70m之間，流量可實(shí)行間測(cè)。分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 龍灣水文站各年水位流量關(guān)系線與綜合關(guān)系線相對(duì)誤差

3.3 流量測(cè)次精簡(jiǎn)分析

經(jīng)過(guò)分析，水位在93.80m以上時(shí)，流量是可以間測(cè)的。本次測(cè)次精簡(jiǎn)分析主要檢驗(yàn)間測(cè)期間的施測(cè)年份能否用較少的測(cè)次定線，推算的各時(shí)段徑流量與綜合線的相對(duì)誤差在允許范圍之內(nèi)。

以2014—2021年暢流期實(shí)測(cè)流量測(cè)次系列作為分析數(shù)據(jù)，8年中實(shí)測(cè)流量點(diǎn)據(jù)489個(gè)，按水位從低到高的順序排列后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中低水(水位在93.80m以下)329個(gè)，測(cè)次為1～329，中水(水位93.80～94.40m)77個(gè)，測(cè)次為330～406，高水(水位94.40m以上)83個(gè)，測(cè)次為407～489。先以全年施測(cè)10次為最低限制，利用隨機(jī)數(shù)生成器從低水組中隨機(jī)抽取4個(gè)點(diǎn)據(jù)，從中水組中隨機(jī)抽取3個(gè)點(diǎn)據(jù)，從高水組中隨機(jī)抽取3個(gè)點(diǎn)據(jù)，定成一條水位流量關(guān)系曲線。如此反復(fù)隨機(jī)抽取30次，生成30組隨機(jī)流量測(cè)次數(shù)據(jù)系列[4-5]。此30組流量測(cè)次系列，可定成30條水位流量關(guān)系曲線，對(duì)其進(jìn)行定線誤差分析(結(jié)果見(jiàn)表3)，然后用這些水位流量關(guān)系曲線推算各種時(shí)段量與由精簡(jiǎn)前歷年綜合水位流量關(guān)系曲線推算的各種相應(yīng)時(shí)段量相比，計(jì)算其相對(duì)誤差(計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4)，其最大相對(duì)誤差均未超過(guò)表4允許相對(duì)誤差，則可進(jìn)行精簡(jiǎn)。否則應(yīng)增加分析測(cè)次，繼續(xù)分析，直到滿足允許誤差為止。[6]

表3 30條水位流量關(guān)系線定線誤差

表4 綜合線與精簡(jiǎn)線推算的時(shí)段量相對(duì)誤差

4 結(jié)語(yǔ)

綜上分析論證，龍灣水文站歷年水位流量關(guān)系穩(wěn)定呈單一線，各年水位流量關(guān)系線及歷年綜合線定線均滿足規(guī)范允許誤差，水位在94.40m以上時(shí)每年關(guān)系線與歷年綜合線最大偏離值都在規(guī)范允許誤差內(nèi)，按照SL 195—2015第4.2.6條a)款及c)款規(guī)定，流量可實(shí)行間測(cè)。

流量間測(cè)后，每年應(yīng)遵行以下間測(cè)原則：

(1)流量可實(shí)行停5年測(cè)1年，按逢0逢5年測(cè)1年的方式進(jìn)行。

(2)間測(cè)期間的施測(cè)年份，每年可測(cè)7～15次。

(3)當(dāng)測(cè)站控制條件發(fā)生變化影響水位流量關(guān)系或水位超過(guò)97.70m時(shí)，應(yīng)及時(shí)恢復(fù)流量測(cè)驗(yàn)。