長沙水文站電波流速儀高洪方案比測分析

梁文勝，梅 鹍

（長沙水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410014）

1 基本情況

1.1 測站基本情況

長沙水文站位于長沙市湘江大道朱張渡下游80 m，東經(jīng)112°58′，北緯28°11′，距河口60 km，集水面積83 020 km2。測驗(yàn)河段由橘子洲頭分為左分河、右主河。上游4 000 m 以上建有猴子石大橋，下游2 370 m 處建有桔子洲大橋。主河床由卵石夾沙組成。左岸為花崗石護(hù)堤，右岸為鋼筋混凝土防洪墻?；?8 m 處有自記水位井一座，警戒水位36.00 m，保證水位38.37 m，水位達(dá)37.80 m 左右時桔子洲開始漫灘。長沙水文站為一類精度站。歷年最低水位24.63 m（凍結(jié)基面），歷年最低水位24.63 m，歷年最高水位39.51 m（凍結(jié)基面），2019 年最高水位38.35 m。

1.2 比測儀器

本次比測的儀器為Decatur 手持式電波流速儀。長沙水文站采用Workhouse R5 型ADCP 實(shí)測流量成果。R5 型平面相控陣變頻智能ADCP 采用頻率合成技術(shù)，根據(jù)水深變化自動調(diào)節(jié)工作頻率、自動調(diào)節(jié)剖面單元大小，以適用大范圍水深變化的測流斷面。

2 比測目的和內(nèi)容

長沙水文站為湘江一類精度水文站，日常水文測驗(yàn)項目為：水位、降水，流量項目根據(jù)防汛抗旱要求進(jìn)行施測。長沙水文站常規(guī)流量測驗(yàn)方法為ADCP 測流，正常情況下可以進(jìn)行湘江流量測驗(yàn)。為確保高洪時段ADCP 等常規(guī)流量測驗(yàn)方法無法進(jìn)行的情況下，長沙水文站能及時施測流量，為防汛工作提供及時準(zhǔn)確的水情信息，制定了長沙水文站高洪流量測驗(yàn)方案。該方案采用電波流速儀在猴子石大橋上施測湘江表面流速，計算斷面虛流量。通過同步實(shí)測流量與虛流量建立相關(guān)關(guān)系，率定斷面虛流量系數(shù)，由虛流量與虛流量系數(shù)之積，求得湘江長沙站流量。

3 流量測驗(yàn)方案

1）ADCP 測流方案

由于長沙水文站基本水尺斷面為復(fù)式斷面，不適合ADCP 測流。為了提高流量精度，避開瀏渭河和撈刀河入流對湘江流量的影響，ADCP 測流斷面選擇在湘江長沙水文站基下7.5 km（瀏渭河入湘江口的上游400 m 處）。

ADCP 過河方式采用動力船拖拽過河。ACDP 測流計算水位采用長沙水文站水位。

2）電波流速儀測驗(yàn)方案

電波流速儀高洪斷面位于長沙水文站上游4.2 km（猴子石大橋上游50 m 處）。在高洪斷面起點(diǎn)距為150 m、300 m、450 m、600 m、750 m 處布設(shè)測速垂線。工作人員站在猴子石大橋上，手持Decatur 電波流速儀，面向湘江上游施測表面流速。猴子石大斷面實(shí)測成果如表1。

表1 高洪斷面成果表

4 電波流速儀測流情況

2019 年7 月9～19 日，水位從31.72 m 上漲到38.35 m。湘江長沙水文站采用高洪方案測流，用電波流速儀在猴子石大橋斷面共測得洪水過程22 次。

5 長沙水文站流量與電波流速儀虛流量關(guān)系分析

1）電波流速儀系數(shù)分析方法

比測期間繪制長沙水文站實(shí)測流量過程線，為了提高長沙水文站流量過程資料的合理性和分析精度，參照上游湘潭水文站實(shí)測流量過程線趨勢，對長沙水文站實(shí)測流量過程進(jìn)行修正。

為計算方便，提高高洪測流方案可行性、降低方案難度，高洪斷面電波流速儀流量計算直接采用長沙水文站水位。雖然長沙水文站基本水尺斷面和高洪斷面水位存在一定差值，但由于湘江高洪期間，水面落差小且變幅小，其落差影響反映在綜合虛流量系數(shù)中。

根據(jù)電波流速儀測流時間，查讀長沙水文站連實(shí)測流量過程線上的流量。通過建立電波流速儀虛流量和實(shí)測流量過程線的同步流量兩者之間的相關(guān)關(guān)系，從而率定電波流速儀綜合虛流量系數(shù)K電。

2）長沙水文站ADCP 測流情況及實(shí)測流量過程線修正

7 月9～19 日間，長沙水文站采用走航式ADCP 在湘江長沙水文站基下7.5 km（瀏渭河口上游200 處）實(shí)測洪水過程16 次。實(shí)測最大流量23 900 m3/s，相應(yīng)水位38.28 m。實(shí)測最小流量5 650 m3/s，相應(yīng)水位33.82 m。為了消除測驗(yàn)誤差，提高長沙水文站分析流量精度，對長沙水文站實(shí)測流量過程線中與湘潭水文站的實(shí)測過程趨勢不一致的局部流量過程，按湘潭水文站流量過程趨勢進(jìn)行插補(bǔ)，使兩者趨勢一致。

3）長沙水文站流量與電波流速儀虛流量關(guān)系確定及誤差分析

根據(jù)電波流速儀測流時間，查讀長沙水文站連實(shí)測流量過程線上的流量，共得22 組數(shù)據(jù)，見表2。

表2 電波流速儀虛流量和查線流量表 m3/s

點(diǎn)繪長沙水文站高洪方案施測的電波流速儀虛流量和相應(yīng)時間的長沙水文站查線流量數(shù)據(jù)圖發(fā)現(xiàn)，二者之間數(shù)據(jù)呈帶狀。兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，電波流速儀虛流量系數(shù)為0.610 3，其相關(guān)關(guān)系R2為0.982 1。電波流速儀虛流量與查線流量擬合相關(guān)關(guān)系見圖1。

圖1 長沙水文站流量～電波流速儀虛流量關(guān)系圖

誤差分析：ADCP 測流斷面與長沙水文站高洪方案中電波流速儀測流斷面區(qū)間匯入的較大支流僅有龍王港。龍王港流域面積154 km2，占長沙水文站控制流域面積0.19%。本次電波流速儀系數(shù)分析比測采用2019 年7 月9～17 日特大洪水過程的實(shí)測數(shù)據(jù)，期間龍王港流域代表站梅溪湖站降雨量29 mm，最大日降雨量13 mm。龍王港流域降水少，受湘江頂托，匯入湘江流量小，故其匯入流量可以忽略不計，可以近似認(rèn)為電波流速儀測流斷面和長沙水文站ADCP 測流斷面流量相等。

根據(jù)公式Q=0.61×Q虛+7 444，計算電波流速儀流量。將電波流速儀流量與查線流量進(jìn)行分析，進(jìn)行三線檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。最大誤差為3.5%，最小誤差為0.0%，標(biāo)準(zhǔn)差2.0%，系統(tǒng)誤差0.0%。電波流速儀流量誤差滿足規(guī)范要求。

6 結(jié) 論

1）電波流速儀實(shí)測流量與長沙水文站查線流量關(guān)系符合直線關(guān)系

最大誤差為3.47%，最小誤差為0.01%，標(biāo)準(zhǔn)差2.0%，系統(tǒng)誤差0.0%。比測水位變幅占?xì)v年變幅的92%。原始分析資料準(zhǔn)確、可靠，比測成果合理。

2）長沙水文站流量計算公式

Q=0.61×Q虛+7 444

式中 Q——湘江長沙水文站流量（m3/s）；

Q虛——電波流速儀虛流量（m3/s）。

3）測驗(yàn)條件要求

電波流速儀流量測驗(yàn)建議避開大風(fēng)、大雨期。本方案施測流量需滿足以下條件：

表3 長沙水文站電波流速儀流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)

①長沙水文站流量大于14 000 m3/s（適用高于警戒水位36.00 m）。

②電波流速儀測流斷面在長沙站基上4.2 km。

③流量測驗(yàn)方案按5 根測速垂線均勻分布。

④采用電波流速儀面向湘江上游施測湘江流速。

⑤斷面、流量計算均采用長沙水文站水位（凍結(jié)基面）。