臧格莊水文站枯水期流量測驗精度探討

（山東省煙臺市水文局 煙臺 264001）

1 概況

臧格莊水文站位于清洋河流域系大沽夾河西支流，山東省棲霞市臧家莊鎮(zhèn)臧家莊村，東經(jīng)120°59′，北緯37°28′。流域形狀呈扇形，斷面以上流域面積458km2，流域長度30.5km，流域平均寬度15.0km。干流長度28.7km，干流平均坡度4.33‰。上游20km 處1961年1月建成庵里中型水庫一座，基本斷面以下約300m 有山東河匯入，下游約28km有門樓水庫水文站。

該流域?qū)贃|亞季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，氣候溫和，四季分明。多年平均氣溫11.5℃，七、八月份最高，達(dá)38℃，最低溫度-17.3℃，年無霜期222 天，歷年最大凍土深0.5m，平均風(fēng)速4.5m/s。多年平均蒸發(fā)量1186.5mm，4—6月達(dá)475.7mm，占全年蒸發(fā)量的40.1%。氣候特點(diǎn)是：春季常刮大風(fēng)，多以西南風(fēng)為主，空氣相對干燥；夏季麥?zhǔn)涨昂蟀橛斜?zāi)害天氣，汛期濕熱多雨且降水集中，時有臺風(fēng)登陸，形成暴雨洪水；秋季天氣涼爽，風(fēng)向較亂，個別年份甚至有連綿陰雨發(fā)生；冬季干冷、雨雪稀少，多北風(fēng)或西北風(fēng)。

臧格莊水文站流域降水年內(nèi)分配不均勻，多年平均降雨量為667.6mm，年最大降水量為1177.7mm，年最小降水量為344.0mm，極值比3.4。臧格莊水文站的徑流主要由大氣降水補(bǔ)給，上游中型水庫庵里水庫流域面積較小，故該站徑流隨時間的變化過程十分復(fù)雜，尤其在汛期，徑流變化特點(diǎn)與降水相似。汛期6—9 四個月多年平均徑流深占全年的80%。從嚴(yán)格意義上來說，臧格莊水文站當(dāng)上游未發(fā)生有效降雨或水庫放水時，河道年際分布均處于枯水段。

2 枯季流量測驗發(fā)現(xiàn)的問題

取2018年臧格莊水文站枯水期部分實測流量資料進(jìn)行分析（見表1），發(fā)現(xiàn)18 號測次水位與1 號測次水位相同，但實測流量較1 號測次增加了33%，分析兩次流量測驗過程可知，兩次流量測驗均在基下250m 處涉水施測，平均水深及斷面面積等要素未發(fā)生變化，由于處于冬季枯水期，河道無沖於、水生植物、結(jié)冰、人類活動等導(dǎo)致河道變化的原因，發(fā)現(xiàn)斷面平均流速增大了33%，得到了流量變大的主要原因。其他要素未發(fā)生變化，而斷面平均流速發(fā)生變化，需進(jìn)一步進(jìn)行分析。

增加14、17 測次與1、18 測次進(jìn)行共同比對分析，繪制水位流量關(guān)系線如圖1所示。根據(jù)臧格莊站實測流量成果表，14—16 測次屬于平水段，17、18 測次屬于落水段，故17 測次水位應(yīng)大于18 測次水位，這從兩次流量數(shù)據(jù)可以佐證。但17 測次與之前穩(wěn)定流的5.13m 水位時流量相差較大（20%），故17 測次水位應(yīng)大于5.12m 但未到達(dá)5.13m，暫記為5.127m；18 測次水位應(yīng)大于5.12m 但小于5.127m，暫記為5.123m，繪制水位流量關(guān)系線如圖2所示（此處應(yīng)具體分析，臧格莊水文站P3 水尺零點(diǎn)為4.000m，若水尺零點(diǎn)毫米位不為零，應(yīng)按照原水位取舍后再加水尺讀數(shù)得到調(diào)整水位）。

表1 臧格莊水文站枯水期部分實測流量特征值表

將17、18 測次水位變化后，趨勢線由圖1變?yōu)閳D2，可見線性更加符合實際情況并且相關(guān)性較高。進(jìn)一步調(diào)整17、18 測次水位毫米位，得到圖3。

可見，當(dāng)17 測次水位記為5.126m，18 測次水位記為5.124m 時，水位與流量完全相關(guān)，在無其他條件影響下較為符合實際情況。由圖1至圖3的變化過程不難看出，水位的取舍值在枯季測流過程中對流量數(shù)據(jù)合理性檢驗起到了一定的作用。

以臧格莊水文站多年定線的經(jīng)驗來年，中高水為單一線，符合定線要求，低水由于水位流量關(guān)系差而采用連實測過程線，流量施測頻次為3～5 天。通過上文分析幾個測次的實測數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，存在水位精讀不夠而導(dǎo)致的誤差，在進(jìn)行水位精讀的調(diào)整后可以提高水位、流量的相關(guān)性。

3 各要素對測驗精度的影響

3.1 水位

由于水位讀數(shù)采用的水尺牌為厘米級，精讀厘米，估讀毫米，所以在實際水位觀讀時容易出現(xiàn)讀數(shù)精讀偏差。像調(diào)整后的1.126 實際讀數(shù)為1.13，1.124 讀數(shù)為1.12，實際讀數(shù)雖然符合水位觀測規(guī)范，卻在實際定線過程中產(chǎn)生相關(guān)性不高而采用的連實測定線方法，使得測站的工作量加大。

臧格莊水文站基本斷面下游220m有攔河閘一處，攔蓄水量，加之清洋河河道多年無較大洪水，致使河道內(nèi)蘆葦叢生，斷面死水面積較大。根據(jù)2018年實測大斷面資料，水位5.12m 時，基本斷面面積為102.67m2，水位5.13m 時為103.88m2（為進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，故未按要求進(jìn)行有效位數(shù)的保留），二者相差1.21 m2。這部分基本斷面的面積偏差既可以表現(xiàn)在下游臨時測流斷面的水深上，也可以表現(xiàn)在流速上。

圖1 水位流量關(guān)系線1 圖

圖2 水位流量關(guān)系線2 圖

水位是繪制水位流量關(guān)系曲線的主要數(shù)據(jù)，所以測流時的水尺觀測精度對計算水位非常重要，應(yīng)盡可能在水尺牌讀數(shù)位于整厘米數(shù)時實測流量。

3.2 水深

枯季臧格莊水文站河道由于攔水閘、水草等因素影響，導(dǎo)致基本斷面死水面積大，不具備測流條件。在下游涉水施測流量，同水位觀測情況相同，測深桿刻度同樣為1cm，在有水流時更易出現(xiàn)水深測量的讀數(shù)精讀偏差。根據(jù)某實測流量成果，若當(dāng)次測深垂線水深測量值較實際值均偏大1cm 時，相對于斷面原流量數(shù)據(jù)偏大3.3%。

3.3 測點(diǎn)定位

枯水期河道水深、流速較小，進(jìn)行測速垂線測點(diǎn)定位時應(yīng)更加注意測點(diǎn)位置準(zhǔn)確，這會對流量的測驗精度產(chǎn)生較大影響。

天然河道暢流期常見的垂線測點(diǎn)流速v 分布曲線示意圖如圖4所示。

圖4中水深為相對水深，即各點(diǎn)的水深h 歸一化成點(diǎn)位水深h 與總水深H 的比值。

一般情況下，暢流期時垂線水面流速最大，河底附近流速為零，總體垂線流速分布呈一定形狀的曲線。影響流速曲線形狀的因素有很多，致使垂線流速分布曲線的形狀多種多樣。人們總是努力用曲線函數(shù)近似描述垂線的流速分布，本例采用橢圓流速分布曲線。測流垂線上的流速分布用橢圓流速分布表示為：

表2 橢圓流速分布公式計算的測點(diǎn)流速表

圖3 水位流量關(guān)系線3 圖

圖4 水面無阻暢流流速沿垂線分布圖

式中：v0—水面流速（η=0），m/s；

P—流速分布參數(shù)，取P=0.6，相當(dāng)于謝才系數(shù)C=40～60；

η—由水面向下起算的相對水深；

v—相對于水深為時的點(diǎn)流速，m/s。

按式1 計算的幾個常用相對水深處的測點(diǎn)流速值見表2。

由式1 按積分法計算垂線平均流速：

水文最常采用的計算垂線平均流速的方法為兩點(diǎn)法與一點(diǎn)法，其計算結(jié)果vm=0.887（兩點(diǎn)法，相對水深0.2、0.8）；vm或=0.885（一點(diǎn)法，相對水深0.6）。由此可見通常采用的計算垂線平均流速的方法計算數(shù)值與積分法計算數(shù)值相近，說明流速沿豎向分布對測速點(diǎn)位置的選擇有很大實用價值。由于測點(diǎn)位置的差別對于垂線平均流速的影響也是存在的，且測點(diǎn)流速定位誤差受水深誤差的綜合影響。

若實際測速垂線水深為0.30m 時，相對水深0.6m時為測點(diǎn)定位在0.18m，若精度不高定位在0.17m 時，實際相對水深為0.57m，則測點(diǎn)流速差距為0.897，與相對0.6m 水深誤差達(dá)14%，且測流斷面水深越小誤差越大。

3.4 起點(diǎn)距

由于臨時斷面沒有標(biāo)準(zhǔn)的起點(diǎn)距刻畫，在實際工作中大多為人工丈量起點(diǎn)距，該方法受角度誤差與垂線間距離誤差共同作用，若各測深垂線丈量出現(xiàn)0.05m 誤差，則流量數(shù)據(jù)偏差達(dá)到5.6%，當(dāng)斷面與河流流向不垂直，夾角為85°時，誤差將增大8.7%。

4 結(jié)語

對枯水期水位漲落較小的測站來說，測時水位、水深、測點(diǎn)位置、測深垂線水深等因素均能導(dǎo)致該次流量偏離值較大，影響到標(biāo)準(zhǔn)差計算，這種情況就是當(dāng)河道水文站水位變化較小，但是流量卻相差較大的主要原因，這種誤差在水文站是經(jīng)常出現(xiàn)并且會影響枯水期測驗精度進(jìn)而影響的水位流量關(guān)系曲線定線問題，應(yīng)該引起重視■