新疆卡拉蘇（四）水文站水面、半深流速系數(shù)分析

周海龍

（新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇水文勘測局,新疆 阿克蘇 843000）

1 概況

卡拉蘇（四）水文站設(shè)立于1956 年4 月,屬國家基本水文站,位于新疆阿克蘇拜城縣亞吐爾鄉(xiāng)龍口村,是渭干河支卡拉蘇河下游的區(qū)域代表站,流域為內(nèi)陸河湖,水系為天山南坡諸河,集水面積1350 km2,河長107 km,距河口25 km。測驗項目有水位、流量、水溫、氣溫、降雨、水質(zhì)、普通測量等。

測驗斷面河床由大石塊、卵石夾砂組成,沖淤變化不大。測驗河段基本順直,長約1km,為寬淺式河槽,中、高水主槽寬約100 m~160 m。低水位時由于水利施工水流集中在左岸,中、高水位時水流集中,無回水、死水情況。左右岸為人工護岸,不易沖刷。基本水尺斷面有一座224 m的混凝土渡槽橋,為井柱橋墩,對測驗有一定影響,斷面附近無水草和支流匯入。測驗方法為橋測,使用測流車懸掛30 kg~50 kg鉛魚施測流量,中高水測驗會受水位漲落率及漂浮物等條件的限制。

2 測流方案分析

水面流速系數(shù)是影響測驗精度的重要因素。2021 年,采用3點法對卡拉蘇（四）水文站施測了30 次流量,測驗方案均按照《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）要求執(zhí)行,對卡拉蘇（四）水文站水面流速、半深流速系數(shù)進行分析確定。在試驗分析前,卡拉蘇（四）水文站水面流速、半深流速系數(shù)分別采用經(jīng)驗值 0.85、0.94。

當(dāng)遇到大洪水水位漲落急劇、洪峰歷時短、枯期水位較低、流速較小等特殊水情時,常采用水面一點法測流。特別是中高水測驗會受水位漲落率及漂浮物的影響,測驗工作非常困難,一旦測驗過程中測流車懸索與漂浮物發(fā)生碰撞,不僅影響測驗歷時和精度,嚴重的還會對人員和車輛安全造成威脅。所以在滿足測驗精度的前提下,宜本著安全、實用的原則,根據(jù)實際情況,綜合權(quán)衡確定中高水時采用簡測法進行測流,這就對測流系數(shù)精度提出了高要求。

3 測流方案及施測點布設(shè)

3.1 測驗方案

卡拉蘇（四）水文站低水時采用測桿涉水施測,中高水時使用水文測流車懸掛LS25-1 型流速儀一點法（0.0、0.6）施測。根據(jù)垂線水深的大小, 布設(shè)不同數(shù)目的流速測點。采用鉛魚或測桿測量水深,儀器放至測點時,要使儀器轉(zhuǎn)軸中心或軛架中線偏離各測點的偏距不大于0.1 m水深。施測水面流速時,流速儀旋轉(zhuǎn)部分不應(yīng)露出水面。施測相對水深0.8處流速時,應(yīng)滿足流速儀旋轉(zhuǎn)部分的邊緣離開河底2 cm~5 cm。

3.2 測速垂線布設(shè)

LS25-1測速范圍低于臨界流速Vk低速部分,查該流速儀低速V~n曲線圖。為了克服流速脈動對測速成果精度的影響,每個測點上的測速歷時,不應(yīng)小于100 s。測速垂線均勻分布,并能控制斷面地形和流速沿河寬分布的轉(zhuǎn)折點,主流和河灘水流相接處必須設(shè)置垂線,主河槽垂線布設(shè)較灘地較密；考慮橋測橋上測驗時橋墩對水流的影響,橋墩附近不布設(shè)垂線,避開橋墩附近紊流區(qū)域；洪峰前后斷面有顯著變化時,應(yīng)實測一次斷面,以便掌握河底變化情況,有利于重新布設(shè)測速垂線。

4 流速系數(shù)分析

4.1 水位級劃分

卡拉蘇（四）水文站年來水量較小,考慮河流特性、水文站測洪能力及影響水位變化的各種要素,選取2017年~2021年近五年資料,根據(jù)汛期逐日最高水位,計算頻率并繪制頻率曲線,取頻率P為10%、50%、90%所對應(yīng)的水位為高、中、低水位1391.16 m、1390.23 m、1389.24 m。

4.2 流速系數(shù)分析

本次分析采用卡拉蘇（四）水文站2021年5月~2021年8月流量測驗數(shù)據(jù)30個,水位變幅 1388.89 m~1391.53 m,流量測次基本包含了高、中、低水位。本次率定采用精測法（三點法）與簡測法（一點法）進行分析,即將精測法計算的流量與簡測法計算的流量進行對比值,得出水面系數(shù)和半深系數(shù)?？紤]到實際工作中使用0.6一點法施測流量,將水面、半深系數(shù)分別與精測法和0.6一點法二者對比相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)精測法和0.6一點法相關(guān)性較好,比值接近。統(tǒng)計結(jié)果見表1、表2。

表1 卡拉蘇（四）水文站流速儀水面流速系數(shù)率定表

續(xù)表1

表2 卡拉蘇（四）水文站流速儀半深流速系數(shù)率定表

續(xù)表2

4.3 相關(guān)分析

采用水面、半深虛流量與實流量（精測法）作相關(guān)分析,見圖1、圖2。從圖中可看出,虛流量與實流量相關(guān)關(guān)系較好,水面、半深相關(guān)系數(shù)分別為 0.9998、0.9999,計算得水面流速、半深流速系數(shù)為0.84、0.93。

圖1 水面流速與垂線平均流速相關(guān)圖

圖2 相對水深0.5流速與垂線平均流速相關(guān)圖

4.4 流速系數(shù)隨水位變化分析

分析流速系數(shù)隨水位變化的規(guī)律,建立各次流量水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)與水位的關(guān)系圖,見圖3、圖4。從圖中可以看出,水位在1388.89 m~1391.53 m區(qū)間,水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)分布在均值0.84、0.93附近,隨水位變化無明顯的增加或減小趨勢。認為流量測驗系數(shù)隨水位的變化不明顯,在不同的水位級水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)均可取固定值0.84、0.93。

圖3 相對水深0.0流速系數(shù)與水位關(guān)系圖

圖4 相對水深0.5流速系數(shù)與水位關(guān)系圖

4.5 成果應(yīng)用分析

2021年卡拉蘇（四）水文站水位流量關(guān)系曲線有2 條,三種檢驗計算分別得出：1 線標準差1.5%,隨機不確定度3.0%,系統(tǒng)誤差0.5%；2 線標準差2.1%,隨機不確定度4.2%,系統(tǒng)誤差-0.7%,三種檢驗結(jié)果符合規(guī)范要求。

利用水面和半深虛流量乘以流速系數(shù)推得的流量,對水位流量關(guān)系曲線進行三種檢驗,分別得出如下結(jié)果：1號~20號流量水面標準差1.5%,隨機不確定度3.0%,系統(tǒng)誤差：0.5%；21號~30 號流量水面標準差1.8%,隨機不確定度3.6%,系統(tǒng)誤差：0.2%；1號~20 號流量半深標準差2.1%,隨機不確定度4.2%,系統(tǒng)誤差-0.7%；21號~3 號流量半深標準差1.6%,隨機不確定度3.2%,系統(tǒng)誤差0.2%。各項指標均未超過允許范圍,說明所率定的水面系數(shù)、半深系數(shù)0.84、0.93是合理的。

5 結(jié)語

通過對2021年30個實測樣本分析計算,直接比值得出水面、半深均值系數(shù)為0.82、0.94；經(jīng)相關(guān)分析,得出水面、半深系數(shù)0.84、0.93；二者基本一致,水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)具有代表性,成果質(zhì)量可靠。用分析系數(shù)成果對水位流量關(guān)系曲線進行三種檢驗進行校核,均符合要求,相關(guān)分析法成果更科學(xué),因此卡拉蘇（四）水文站水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)為0.84、0.93。