雙捷水文站流量測驗簡測法分析

摘 要：雙捷水文站受天然洪水漲落、水利工程閘門啟閉和天文潮汐漲落等因素影響，水位漲落較快，流量測驗時機難以把握。依據(jù)現(xiàn)有實測流量資料，對垂線數(shù)和測點總數(shù)進(jìn)行合理精簡，大大縮短了流量測驗時間，較大程度上解決了流量測驗難題。

關(guān)鍵詞：雙捷水文站；流量測驗；簡測法；流量

中圖分類號：P332.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.068

1 流量測驗概述

流量測驗是基層水文測站的重要工作之一，也是水資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)工作。流量測驗精度對工程設(shè)計、防洪減災(zāi)、洪水預(yù)警預(yù)報等方面有著重要的影響。在實際工作中，部分水文站受諸多因素的影響，比如天然洪水漲落、水利工程閘門啟閉和天文潮汐漲落等影響，其水位漲落較快，流量測驗時機難以把握。在保證測驗精度的前提下，如何有效完成各項測驗任務(wù)，是基層水文站必須解決的難題。本文以雙捷水文站為例，合理優(yōu)化流量測驗方案，在保證測驗精度的前提下，加快流量測驗進(jìn)程，大大減少了流量測驗時間。

2 測站概況

雙捷水文站是漠陽江干流控制站，位于陽江市江城區(qū)雙捷鎮(zhèn)，集水面積4 345 km2，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 111°48'21″，北緯 21°57'15″。該站是國家重要水文站、中央報汛站，主要負(fù)責(zé)漠陽江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發(fā)利用、水工程的建設(shè)管理，并系統(tǒng)地收集水文資料。測驗項目主要有水位、流量、泥沙、降雨量、水質(zhì)等。建站以來，實測最高水位9.04 m（全文水位、高程均為凍結(jié)基面），相應(yīng)流量為4 390 m3/s，出現(xiàn)在1981-10-09.

3 測驗河段水文特性

雙捷水文站控制斷面所在河段順直，高水位時無漫灘分流，兩岸為泥土質(zhì)，河床為沙質(zhì)。測流斷面上游1 125 m處有雙捷水利樞紐一座，包含攔河壩一座和捷東、捷西渠道引水工程，攔河壩有閘門72孔控制，左側(cè)有船閘，右側(cè)于2001-08建成電站。測驗斷面水流受攔河壩閘門啟閉和天文潮漲落綜合影響，水位漲落較快。當(dāng)上游出現(xiàn)較大洪水時，雙捷水利樞紐閘門全開，雙捷河段接近自然河流，水位較高，不受天文潮漲落影響；當(dāng)洪水退去時，雙捷站水位受雙捷水利樞紐閘門啟閉而急劇漲落，也會受天文潮漲落影響，特別在枯水期尤為明顯。近年來，雙捷站中高水水位流量關(guān)系呈現(xiàn)單一曲線，但測驗斷面下游采沙頻繁，河床年內(nèi)沖淤變化較大，總體呈逐年下切趨勢，導(dǎo)致水位流量關(guān)系線逐年向右偏移。

4 流量測驗現(xiàn)狀

雙捷水文站流量測驗方法為流速儀法，測驗方式為：在中高水時采用纜道施測，低水時涉水施測。目前雙捷站流量測驗方案主要有精測法和常測法，兩種方案的測速垂線分布和測點布置情況如表1所示。

表1 雙捷站流量測驗方案

測驗方案 測速垂線

/總測點 相對水深 測速垂線起點距/m

精測法 21/42 0.2，0.8 30，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150，170，190，210，230，250，270， 290，310，330

常測法 11/22 0.2，0.8 30，50，70，90，110，130，170，210，250，290，330

近5年來（2009—2013年），雙捷站平均流量測驗次數(shù)為38次，其中精測法1次，常測法37次，各年流量測驗情況如表2所示。

表2 雙捷站近年流量測驗情況一覽表

年份 2009 2010 2011 2012 2013

精測法 2 1 1 1 1

常測法 37 38 38 39 38

5 簡測法分析

5.1 分析思路

簡測法分析的目的是在保證流量測驗成果精度的前提下，縮短測流歷時，減少工作量，提高測報質(zhì)量，做到測得到、測得準(zhǔn)、測得快?？沙浞掷矛F(xiàn)有資料成果，在現(xiàn)有測驗方案的基礎(chǔ)上對測速垂線數(shù)和測點總數(shù)進(jìn)行合理精簡，使精簡后的指標(biāo)流速與斷面平均流速之間的關(guān)系良好，流量測驗簡測法誤差界限如表3所示，該簡測方案即可成立。

表3 流量測驗簡測法誤差界限

類別 累積頻率達(dá)75%

以上的誤差 累積頻率達(dá)95%

以上的誤差 系統(tǒng)誤差

以常測法資料精簡 不超過±4% 不超過±8% 不超過±1%

圖1 雙捷站斷面流速分布

5.2 簡測方案

5.2.1 水位級的確定

根據(jù)雙捷站水文特性，中高水水位流量關(guān)系呈單一曲線，另外，河床年內(nèi)沖淤變化較大，總體呈逐年下切趨勢，并綜合分析近年來雙捷站流速儀測流斷面大斷面，如圖1所示，最終確定本次簡測法分析僅針對2 m以上水位的測次。

5.2.2 測速垂線總數(shù)的確定

由于雙捷站河床年內(nèi)沖淤變化較大，單條垂線缺乏代表性，因此本次分析簡測法垂線總數(shù)暫定3條，如果指標(biāo)流速與斷面平均流速關(guān)系或誤差超標(biāo)，則要適當(dāng)增加垂線。

5.2.3 測速垂線分布

根據(jù)雙捷站常測法垂線分布情況和流速儀測流斷面中高水流速分布情況，選取起點距90 m、170 m、250 m作為簡測法測速垂線。

5.2.4 測點總數(shù)確定

雙捷站常測法垂線平均流速采用2點法，即相對水深0.2和0.8，簡測法分析擬按兩種方案進(jìn)行優(yōu)選，如表4所示。

表4 雙捷站流量測驗簡測法

測驗方案 測速垂線/總測點 相對水深 測速垂線

起點距/m 指標(biāo)流速

方案A 3/3 0.2 90，170，250 VA=（∑V0.2）/3

方案B 3/6 0.2，0.8 90，170，250 VB=（∑V0.2）/3+（∑V0.8）/3

5.3 方案優(yōu)選

5.3.1 資料選取

2011年底，雙捷站啟用新建纜道開展流量測驗，起點距測量比之前船測相對準(zhǔn)確，因此選取2012-01—2013-12期間水位高于2 m的流量測次作為分析對象，總共有24份流量測次滿足條件。

5.3.2 建立斷面平均流速與指標(biāo)流速相關(guān)關(guān)系

針對所選取的24份流量測次，按照方案A和方案B計算各測次指標(biāo)流速，將斷面平均流速與兩方案的指標(biāo)流速關(guān)系點繪于圖上，并分別建立相關(guān)關(guān)系式，如圖2、圖3所示。

5.3.3 簡測方案優(yōu)選

從圖2和圖3中可以看出，兩種方案的指標(biāo)流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)R2比較接近，且均大于0.95.但實際上，方案A比方案B更優(yōu)，其原因有兩點：①斷面平均流速與方案A的指標(biāo)流速的相關(guān)性更好；②方案A測點總數(shù)是方案B測點總數(shù)的一半，在理論上能節(jié)省近一半的測驗時間。所以應(yīng)該選取方案A作為雙捷站的簡測法，關(guān)系式為V斷=0.722VA+0.189.

圖2 斷面平均流速與方案A指標(biāo)流速關(guān)系

圖3 斷面平均流速與方案B指標(biāo)流速關(guān)系

5.4 誤差分析

針對滿足條件的24份流量測次，采用方案A進(jìn)行流量精簡，計算每次流量精簡后斷面平均流速的相對誤差，并統(tǒng)計75%和95%頻率的誤差以及系統(tǒng)誤差，如表5所示。

由表5可知，采用方案A計算的流量與實測流量的相對誤差不超過±4.0%的有21份，累積頻率為87.5%，相對誤差不超過±8.0%的有18份，累積頻率為100%，系統(tǒng)誤差為-0.01%，滿足表3中的簡測法誤差界限。如圖4所示，簡測法和常測法的比值為1.00，其線型為一條直線，表明簡測法和常測法關(guān)系良好。

表5 雙捷水文站簡測法誤差分析

序號 水位/m 流量

/（m3/s） 指標(biāo)流速

/（m/s） 簡測法斷面平

均流速/（m/s） 簡測法流

量/（m3/s） 誤差 簡常

系數(shù)

1 3.39 1 030 1.57 1.32 1 020 -1.0 0.99

2 4.72 1 810 1.86 1.53 1 850 2.2 1.02

3 4.03 1 350 1.51 1.28 1 320 -2.2 0.98

4 3.82 1 290 1.55 1.31 1 300 0.8 1.01

5 3.53 1 060 1.48 1.26 1 050 -0.9 0.99

6 4.47 1 700 1.79 1.48 1 720 1.2 1.01

7 4.23 1 520 1.67 1.39 1 540 1.3 1.01

8 3.09 860 1.31 1.13 835 -2.9 0.97

9 2.19 457 1.07 0.96 438 -4.2 0.96

10 3.81 1 230 1.51 1.28 1 210 -1.6 0.98

11 2.73 720 1.32 1.14 728 1.1 1.01

12 2.06 443 0.99 0.90 428 -3.4 0.97

13 2.58 680 1.24 1.08 692 1.8 1.02

14 2.85 771 1.41 1.21 785 1.8 1.02

15 3.26 981 1.34 1.16 970 -1.1 0.99

16 3.69 1 290 1.65 1.38 1 290 0.0 1

17 2.18 516 1.17 1.03 520 0.8 1.01

18 2.33 580 1.24 1.08 616 6.2 1.06

19 3.65 1 270 1.60 1.34 1 280 0.8 1.01

20 4.78 2 050 1.81 1.50 2 010 -2.0 0.98

21 4.99 2 160 1.79 1.48 2 150 -0.5 1

22 4.41 1 700 1.60 1.34 1 650 -2.9 0.97

23 3.04 906 1.41 1.21 956 5.5 1.06

24 4.41 1 770 1.68 1.40 1 750 -1.1 0.99

均值 -0.01 1.00

圖4 雙捷水文站流量測驗簡、常系數(shù)

6 結(jié)論與建議

誤差分析結(jié)果表明，雙捷水文站流量簡測法成果精度滿足規(guī)范要求，測點代表性較好，適用于雙捷水文站中高水位的流量測驗。流量測驗簡測法在開展流量測驗時安全性高、歷時短、滿足測驗精度要求，在全國水文站網(wǎng)布局逐漸完善、基層水文測站測驗任務(wù)不斷加重的今天，值得各水文站大力推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國水利部.GB 50179—93河流流量測驗規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1994.

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作者簡介：周建剛（1984—），男，大學(xué)本科，工程師，廣東省水文局江門分局技術(shù)科副科長，主要研究方向為水文資料整編、水文分析計算、水資源信息編發(fā)等。

〔編輯：王霞〕