丹江水文站水文要素監(jiān)測(cè)方案分析

魏徐濤

（貴州省水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550002）

本文以丹江水文站為背景,對(duì)該水文站精測(cè)流量測(cè)驗(yàn)進(jìn)行常測(cè)法精簡(jiǎn)分析,其研究意義為,總結(jié)了該地區(qū)水文站采用流速儀測(cè)流和ADCP 測(cè)流,水文監(jiān)測(cè)采用站隊(duì)結(jié)合以及水文巡測(cè)。該地區(qū)水文站屬于國(guó)家一類精度水文站,通過(guò)對(duì)水文站進(jìn)行頻率分析,得出高水位、低水位以及中水位。根據(jù)摘錄的系列資料確定該年水位處于中水水位,制定中水水位的常測(cè)法精簡(jiǎn)分析。常測(cè)法精簡(jiǎn)分析通過(guò)對(duì)測(cè)速垂線位置以及相對(duì)誤差絕對(duì)值二者共同分析對(duì)比得出。方案三保留12 條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案符合丹江水文站中水水位精簡(jiǎn)分析,能夠代替其精測(cè)法流量測(cè)驗(yàn)。

1 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)的水文監(jiān)測(cè)手段已由傳統(tǒng)人工觀測(cè)逐步轉(zhuǎn)向自動(dòng)化監(jiān)測(cè),雷達(dá)測(cè)雨、無(wú)人機(jī)、遙感遙測(cè)等新技術(shù)廣泛應(yīng)用,水位、雨量監(jiān)測(cè)已全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)報(bào),流量監(jiān)測(cè)中,先進(jìn)的聲光電新技術(shù)新設(shè)備正大力推廣。我國(guó)在不斷提高水文監(jiān)測(cè)能力,建設(shè)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng),從探索階段到發(fā)展階段再到提高階段三步走。利用學(xué)習(xí)并且引進(jìn)國(guó)外設(shè)備,研究先進(jìn)的水文監(jiān)測(cè)方法和技術(shù),引進(jìn)美國(guó)的設(shè)備,并且加以創(chuàng)新進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化,通過(guò)和國(guó)外先進(jìn)的水文監(jiān)測(cè)設(shè)備比較,清楚意識(shí)到我國(guó)的水文監(jiān)測(cè)技術(shù)在精確度、穩(wěn)定性以及工程技術(shù)仍然落后國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和測(cè)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2 降水觀測(cè)

水文循環(huán)一共有四個(gè)過(guò)程,分別是蒸發(fā)、降水、下滲以及徑流。對(duì)于收集水文站的數(shù)據(jù),降水這一要素成為了丹江水文站必須觀測(cè)的水文要素。降水是云進(jìn)行降落,除此之外也包括從大氣沉降到地面的液態(tài)或者固態(tài)的水汽凝結(jié)物。降水的形式多樣,主要分為雨、雹、露、霧凇、白霜和霧降水。常用的雨量觀測(cè)設(shè)備有三種。水文測(cè)站最常用的是雨量器、虹吸式雨量計(jì)、翻斗式雨量計(jì)。

丹江水文站降水觀測(cè)設(shè)備采用的是翻斗式雨量計(jì)和稱重式雨量計(jì),設(shè)有雨量觀測(cè)場(chǎng)和室內(nèi)翻斗式雨量計(jì),水文站的觀測(cè)人員在每日8 時(shí)和20 時(shí)分別量取前12 小時(shí)的降雨量。摘錄丹江水文站1951年~2014年降雨量平均值,繪制平均降雨量過(guò)程線,見圖1。

圖1 丹江水文站歷年平均降雨量過(guò)程線

從摘錄的丹江水文站年降水量特征值以及繪制的丹江水文站歷年平均降雨量過(guò)程線圖中可知,平均降雨量由高到低排在前五年的分別為 2013年、1968年、1990年、1986年、1959年。

3 水位級(jí)劃分

3.1 水位級(jí)劃分原理

針對(duì)水位級(jí)劃分,根據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 501 79-2015）中相關(guān)要求,指出首先要計(jì)算出對(duì)應(yīng)頻率,繪制相應(yīng)的頻率曲線,且水文站按精度分為一類精度和二類、三類精度。

3.2 丹江水文站頻率分析

丹江水文站屬于國(guó)家一類精度水文站,根據(jù)水位級(jí)劃分原理,采用年特征值法進(jìn)行水位級(jí)劃分[1]。按照規(guī)范要求,最低摘錄20年的年份,因此摘錄丹江水文站1950年~2014年共65年最高水位、平均水位以及最低水位的系列資料,完全大于20年且符合規(guī)范,根據(jù) P-Ⅲ型曲線,運(yùn)用程序分別計(jì)算頻率并繪制三個(gè)頻率曲線。以下頻率曲線分別為丹江水文站最高水位頻率曲線、平均水位頻率曲線和最低水位頻率曲線。

（1）最高水位頻率曲線見圖2,其中,適線參數(shù)見表1。

表1 適線參數(shù)表

圖2 丹江水文站最高水位頻率曲線

（2）丹江水文站最低水位頻率曲線見圖3,其中,適線參數(shù)見表2。

表2 適線參數(shù)表

圖3 丹江水文站最低水位頻率曲線

以上為丹江水文站頻率分析,根據(jù)水位級(jí)劃分原理對(duì)其進(jìn)行水位級(jí)劃分。

3.3 丹江水文站水位級(jí)劃分分析

丹江水文站采用國(guó)家一類精度水文站的水位級(jí)劃分進(jìn)行劃分分析,摘錄1950年~2014年共65年的系列資料,運(yùn)用暢流期水位進(jìn)行水位級(jí)劃分。由上述二個(gè)頻率曲線圖,進(jìn)行反向查詢,得出丹江水文站水位級(jí)劃分如下：

（1）當(dāng)P=90%時(shí),對(duì)應(yīng)高水位=228.3 m；

（2）當(dāng)P=50%時(shí),對(duì)應(yīng)中水位=224.8 m；

（3）當(dāng)P=10%時(shí),對(duì)應(yīng)低水位=224.3 m。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果,繪制丹江水文站水位級(jí)劃分表格,見表3。

表3 丹江水文站水位級(jí)劃分

4 測(cè)流方案編制

4.1 測(cè)流方案

丹江水文站在運(yùn)用精測(cè)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)的過(guò)程中,采用0.2 和0.8 兩點(diǎn)法計(jì)算垂線平均流速,從而計(jì)算一系列精測(cè)值。摘錄的數(shù)據(jù)為2018年4 月~12 月共25 組流量數(shù)據(jù),且水位全部位于中水水位,所以對(duì)摘錄的流量數(shù)據(jù)做中水測(cè)驗(yàn)方案,對(duì)16 條測(cè)速垂線做精簡(jiǎn)分析,分別從精簡(jiǎn)前后流量、精簡(jiǎn)前后面積以及精簡(jiǎn)前后垂線平均流速做分析,共整理三個(gè)精簡(jiǎn)分析方案,按照常測(cè)法最少測(cè)速垂線數(shù)目的要求,丹江河水面寬介于100 m~300 m 之間,對(duì)應(yīng)精簡(jiǎn)后測(cè)速垂線數(shù)目范圍為7~13 條,則方案一為選定精簡(jiǎn)至8 條垂線,方案二為選定精簡(jiǎn)至10 條垂線,方案三為選定精簡(jiǎn)至12 條垂線。

4.2 合理性檢查

4.2.1 測(cè)速垂線位置圖精簡(jiǎn)分析

根據(jù)常測(cè)法精簡(jiǎn)分析的相關(guān)要求,繪制三個(gè)方案精簡(jiǎn)前的測(cè)速垂線位置和精簡(jiǎn)后測(cè)速 垂線位置曲線,通過(guò)對(duì)比,選擇最佳方案。精簡(jiǎn)前測(cè)速垂線位置圖見圖4。

圖4 精簡(jiǎn)前測(cè)速垂線位置圖

方案一精簡(jiǎn)至8 條測(cè)速垂線位置分別為起點(diǎn)距 （76 m 、86 m 、126 m 、136 m 、156 m、166 m、176 m、206 m）,其測(cè)速垂線位置圖見圖5。

圖5 方案一精簡(jiǎn)后測(cè)速垂線位置圖

方案二精簡(jiǎn)至10 條垂線位置分別為起點(diǎn)距（86 m、96 m、126 m、136 m、146 m、166 m、176 m、186 m、196 m、206 m）,其測(cè)速垂線位置圖見圖6。

圖6 方案二精簡(jiǎn)后測(cè)速垂線位置圖

方案三精簡(jiǎn)至12 條測(cè)速垂線位置分別為起點(diǎn)距（86 m、96 m、106 m、126 m、136 m、156 m、166 m、176 m、186 m、196 m、206 m、232.6 m）,其測(cè)速位置垂線圖見圖7。

圖7 方案三精簡(jiǎn)后測(cè)速垂線位置圖

從三個(gè)方案精簡(jiǎn)后測(cè)速垂線位置圖可得出,方案一測(cè)速垂線位置為 76 m 和126 m 之間的分布形態(tài)與精測(cè)時(shí)同一位置分布形態(tài)相差過(guò)大,方案二測(cè)速垂線位置為126 m 和146 m 之間的分布形態(tài)與精測(cè)時(shí)同一位置分布形態(tài)相差過(guò)大,而方案三精簡(jiǎn)的測(cè)速垂線位 置保留了精測(cè)時(shí)的所有大致分布形態(tài),與精測(cè)時(shí)測(cè)速垂線位置無(wú)太大偏差,因此從測(cè)速垂線位置分布圖的角度可以得出,方案三為最佳精簡(jiǎn)分析方案,方案一和方案二舍棄。

4.2.2 精簡(jiǎn)誤差相關(guān)分析

（1）精簡(jiǎn)后流量誤差分析

根據(jù)常測(cè)法精簡(jiǎn)分析的要求,對(duì)精簡(jiǎn)前流量和精簡(jiǎn)后流量進(jìn)行誤差計(jì)算,累積頻率為75%時(shí),誤差不得超過(guò)±3%；累積頻率為95%時(shí),誤差不得超過(guò)±5%,且要滿足系統(tǒng)誤差不能超過(guò)±1%。根據(jù)上述計(jì)算成果表,方案一、方案二、方案三精簡(jiǎn)后流量相對(duì)誤差絕對(duì)值,找到累積頻率為75%和95%所對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值[2]。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),方案一在保留8 條測(cè)速垂線進(jìn)行流量精簡(jiǎn)分析時(shí),累積頻率75%時(shí)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值介于10.46%~10.63%之間,已超出±3%范圍內(nèi)；方案二在保留10 條測(cè)速垂線進(jìn)行流 量精簡(jiǎn)分析時(shí),累積頻率為75%時(shí)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值介于2.69%~2.91%之間,累積頻率為95%時(shí)其相對(duì)誤差絕對(duì)值為符合誤差范圍要求,即該方案可取；方案三在保留12 條垂線進(jìn)行流量精簡(jiǎn)分析時(shí),累積頻率為75%時(shí)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值介于1.38%~1.45%之間,同樣符合誤差范圍內(nèi),相對(duì)于方案二和方案三,從精簡(jiǎn)后流量分析誤差角度,方案三更加可取。

（2）精簡(jiǎn)后面積誤差分析

根據(jù)計(jì)算成果,在成果中可以查出,方案一對(duì)保留8 條測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)分析,當(dāng)累積頻率為75%時(shí)多對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值介于5.5%~5.66%之間[3],超出誤差范圍,則不合理；方案二對(duì)保留10 條測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)分析,當(dāng)累積頻率為75%時(shí),對(duì)應(yīng)相對(duì)誤差絕對(duì)值介于2.8%~2.81%之間,符合誤差范圍,當(dāng)累積頻率為95%時(shí),其相對(duì)誤差絕對(duì)值為4.9%,同樣符合誤差范圍；方案三對(duì)于保留12 條測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)分析,當(dāng)累積頻率為75%時(shí),對(duì)應(yīng)相對(duì)誤差絕對(duì)值介于0.93%~1.12%之間,符合誤差范圍,當(dāng)累積頻率為95%時(shí),對(duì)應(yīng)相對(duì)誤差絕對(duì)值介于1.41%~2.97%之間[4],完全符合誤差范圍規(guī)定,方案二和方案三經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知,方案三誤差更小,精度更高,因此針對(duì)精簡(jiǎn)后面積誤差分析,方案三更可取。

（3）精簡(jiǎn)后測(cè)速垂線平均流速誤差分析

根據(jù)計(jì)算成果表中數(shù)據(jù),在方案一中,當(dāng)累積頻率為75%時(shí)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差絕對(duì)值介于7.56%~8.0%之間,超出誤差范圍,累積頻率為 95%時(shí),其相對(duì)誤差絕對(duì)值介于11.76%~12.82%,也超出了規(guī)定范圍,經(jīng)計(jì)算,方案一不可取,舍棄方案一。在方案二中,當(dāng)累積頻率為75%時(shí),其相對(duì)誤差絕對(duì)值介于1.19%~2.56%之間,符合誤差范圍,當(dāng)累積頻率為95%時(shí),其相對(duì)誤差絕對(duì)值介于3.7%~17.95%之間[5]。在方案三中,當(dāng)累積頻率為75%時(shí),其相對(duì)誤差絕對(duì)值介于1.1%~1.28%之間,符合誤差范圍,當(dāng)累積頻率為95%時(shí),其相對(duì)誤差絕對(duì)值為3.48% 。方案一舍棄,方案二和方案三經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,方案三的誤差較小。對(duì)于測(cè)速垂線平均流速的精簡(jiǎn)分析,方案三更加可取。

5 結(jié)論

本文以水文測(cè)驗(yàn)這門學(xué)科為基礎(chǔ),收集丹江水文站水位、降水、流量等相關(guān)資料,將精測(cè)流量、精測(cè)面積以及精測(cè)平均流速進(jìn)行常測(cè)法精簡(jiǎn)分析,制定最佳方案能夠近似代替 精測(cè)法,為丹江水文站今后的流量測(cè)驗(yàn)提供了思路和可行性建議,所得出的結(jié)論如下：

（1）丹江水文站2015年中水水位適用于常測(cè)法的精簡(jiǎn)分析。在精簡(jiǎn)分析中,測(cè)速垂線 越多,其相對(duì)誤差絕對(duì)值越小,精度越高,越能夠保持大斷面形態(tài)和垂線流速分布形態(tài)。

（2）本次通過(guò)對(duì)丹江水文站測(cè)速垂線的精簡(jiǎn)分析,最終制定了方案三,即常測(cè)法保留12 條測(cè)速垂線的最佳方案,其河流特性及水情特征為其他丹江河測(cè)區(qū)提供了方法和理論依據(jù)。通過(guò)對(duì)丹江水文站中水水位的流量測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn),為以后出現(xiàn)高水水位和低水水位時(shí)提供了精測(cè)思路和方法。

（3）常測(cè)法精簡(jiǎn)分析可以減少測(cè)速歷時(shí),節(jié)約人力財(cái)力,當(dāng)出現(xiàn)緊急汛期,能夠在短時(shí)間內(nèi)完成流量測(cè)驗(yàn),同時(shí)能夠確保精度和可靠性,將水文資料和信息迅速提供給上級(jí)單位用于防洪減災(zāi)。