孟慶玉

(朝陽市喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

0 前言

一次流量的測(cè)驗(yàn)的主要因子有：流速、面積，一定的水位通過單位過水面積是一定的，在面積不變的情況下流速的測(cè)量精度直接關(guān)系到整個(gè)流量的精度[1]。每條垂線流速精度非常重要。根據(jù)《河道流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)規(guī)定每條垂線測(cè)點(diǎn)數(shù)目的規(guī)定。通過分析對(duì)某一測(cè)點(diǎn)與斷面平均流速的關(guān)系，可以對(duì)測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)[2]。精簡(jiǎn)分析是流量測(cè)驗(yàn)中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，既能保證流量測(cè)驗(yàn)的成果精度，又能減少測(cè)流的工作量，縮短測(cè)流歷時(shí)，提高測(cè)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性[3]。通過精簡(jiǎn)分析，制定各種比較合理的流量測(cè)驗(yàn)施測(cè)方案，以適應(yīng)不同水位級(jí)情況下，采用不同的測(cè)流工作方案[4]。近些年來，由于中小河流突發(fā)暴雨洪水特點(diǎn)，傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)方式也不能滿足洪水期中小河流測(cè)報(bào)信息的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。亟需對(duì)傳統(tǒng)水文測(cè)驗(yàn)方式進(jìn)行改進(jìn)和精簡(jiǎn)，從而提高中小河流測(cè)報(bào)的時(shí)效性。當(dāng)前，測(cè)速垂線精簡(jiǎn)研究已在國(guó)內(nèi)許多河流水文測(cè)驗(yàn)方案制定中得到應(yīng)用[5-12]，并逐步在遼寧地區(qū)許多區(qū)域河流測(cè)驗(yàn)的精簡(jiǎn)方式中得到應(yīng)用。本文以遼南山區(qū)型中小河流為研究實(shí)例，對(duì)該區(qū)域水文測(cè)站的測(cè)速垂線精簡(jiǎn)進(jìn)行試驗(yàn)分析，成果對(duì)于遼寧山區(qū)型中小河流測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案制定具有參考價(jià)值。

1 測(cè)站概況

選取的測(cè)站為集水面積240 km2，區(qū)域代表站，屬山溪性河流具有暴漲暴落特性。測(cè)驗(yàn)河段順直長(zhǎng)約1000 m，洪水主流居中、比降大、水流急、中水時(shí)水面寬約為75 m，基上約10 m處有一小河溝、汛期有水匯入，基下約1000 m處有一急彎，基上約700 m處是一攔河水壩，高水時(shí)水由壩上跑，低水時(shí)由攔河壩閘門放水，攔河壩下游斷面河干，河底由中、小型河卵石組成，河床左岸為巖石，右岸為草皮及小柳樹。歷年水位流量關(guān)系較為穩(wěn)定。

2 寬深比確定

按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179-2015)的規(guī)定要求進(jìn)行了流速垂線精簡(jiǎn)方案下的對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，共進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)22次，采集22份流量測(cè)定數(shù)據(jù)，對(duì)不同測(cè)驗(yàn)時(shí)間下河流斷面的寬度(B)及平均水深(D)進(jìn)行寬深比的推求。對(duì)選取水文站的寬深比進(jìn)行推算，其寬深比在52.6～82.5之間，從各實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，水面寬范圍在73.1 m～91.7 m，寬深比值(B/D)范圍在51.2～81.3，為窄深河道。

3 測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案

根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》常測(cè)法測(cè)速垂線數(shù)的布設(shè)要求，當(dāng)水面寬與平均水深之比值(B/D)小于100時(shí)為窄深河道。研究水文站寬深比值(B/D)范圍在51.2～81.3，處于窄深河道。測(cè)速垂線在10～14條符合測(cè)驗(yàn)要求。在測(cè)點(diǎn)精簡(jiǎn)分析的前提下精簡(jiǎn)垂線數(shù)目。。根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》3～67常測(cè)法的垂線﹑測(cè)點(diǎn)綜合精簡(jiǎn)的分析要求，結(jié)合本站的斷面垂線流速橫向分布變化趨勢(shì)，采用起點(diǎn)距為：69 m、76.1 m、86.4 m、95 m、101.6 m、108.8 m、115 m、119.3 m、128.5 m、130 m的垂線流速，以斷面平均流速為縱坐標(biāo)，以每條垂線的流速為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系，各垂線相關(guān)方程見表1。

表1 各垂線相關(guān)方程建立結(jié)果

(1)選用相關(guān)關(guān)系最好的一條垂線，起點(diǎn)距為95 m，其線性關(guān)系為：Y=0.885x+0.027，R=0.998。

(2)選出線性關(guān)系較好的三條垂線分別為：95 m、115 m，以二條垂線的平均值為橫軸，以斷面平均流速作縱軸建立相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系良好。其線性關(guān)系為Y=0.877x+0.016，R=0.999。

(3)選出線性關(guān)系較好的三條垂線分別為：95 m、101.6 m、115 m以三垂線的平均值為橫軸，以斷面平均流速作縱軸建立相關(guān)關(guān)系，相關(guān)關(guān)系良好。其線性關(guān)系為Y=0.869x+0.01，R=0.997。

4 測(cè)速垂線精簡(jiǎn)誤差分析

4.1 各精簡(jiǎn)方案流量誤差分析

結(jié)合《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》規(guī)定的常規(guī)水文測(cè)驗(yàn)要求，分別在95 m、115 m布設(shè)兩條測(cè)速垂線和布設(shè)三條測(cè)速垂線得到的平均流速建立相關(guān)關(guān)系后對(duì)流量進(jìn)行推算并與常規(guī)方法的流量進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)誤差符合測(cè)驗(yàn)的精度要求時(shí)，即可采用不同垂線的測(cè)點(diǎn)流速進(jìn)行流量的推求計(jì)算，并作為常規(guī)測(cè)流方案進(jìn)行流量的測(cè)定。將各實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)按照精簡(jiǎn)方案進(jìn)行流量的重新計(jì)算，對(duì)精簡(jiǎn)前后的流量相對(duì)誤差進(jìn)行分析，分析各精簡(jiǎn)方案下的流量測(cè)驗(yàn)誤差是否滿足誤差檢驗(yàn)的要求，從而確定最優(yōu)的流速垂線精簡(jiǎn)方案。各流速垂線精簡(jiǎn)方案下的誤差分析結(jié)果見表2、表3以及表4。

表2 采用一條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)后與精簡(jiǎn)前流量成果數(shù)據(jù)分析表

表3 采用兩條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)后與精簡(jiǎn)前流量成果數(shù)據(jù)分析表

表4 采用三條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)后與精簡(jiǎn)前流量成果數(shù)據(jù)分析表

本文選取的水文站需要滿足三類水文站點(diǎn)的測(cè)驗(yàn)精度，從各測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案分析結(jié)果看出，采用一條測(cè)速垂線進(jìn)行精簡(jiǎn)后，其測(cè)速垂線精簡(jiǎn)前后的流量測(cè)定誤差高于允許誤差5%的測(cè)驗(yàn)精度要求，因此在該水文站選取1條測(cè)速垂線進(jìn)行流量精簡(jiǎn)很難滿足流量測(cè)驗(yàn)的誤差要求。從表3兩條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案分析結(jié)果可看出，測(cè)速垂線精簡(jiǎn)前后的流量測(cè)驗(yàn)誤差均低于5%，達(dá)到水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求的三類水文測(cè)站的允許誤差要求，可見在選取的站點(diǎn)中，采用2條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案可滿足水文測(cè)驗(yàn)的精度要求。表4為采用三條測(cè)速垂線進(jìn)行測(cè)驗(yàn)方案精簡(jiǎn)后，精簡(jiǎn)前后流量測(cè)驗(yàn)誤差也同樣低于水文測(cè)驗(yàn)要求的5%允許誤差，同級(jí)水位下的精簡(jiǎn)測(cè)驗(yàn)誤差均小于采用1條和2條進(jìn)行測(cè)速垂線精簡(jiǎn)后的誤差值，表明隨著測(cè)速垂線的增加，其誤差逐步減小，通過對(duì)比觀測(cè)分析，采用95 m、115 m垂線2條測(cè)速垂線和95 m、101.6 m、115 m三條測(cè)速垂線精簡(jiǎn)的誤差均可滿足水文測(cè)驗(yàn)要求。

4.2 測(cè)驗(yàn)誤差分布

按照《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》系統(tǒng)誤差的要求，對(duì)精簡(jiǎn)后的流量相對(duì)誤差分布進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)分析不同測(cè)次下的流量精簡(jiǎn)誤差，并將測(cè)驗(yàn)誤差按照大小進(jìn)行排列分析，統(tǒng)計(jì)分析誤差分布的累積頻率，結(jié)果見表5。

表5 各精簡(jiǎn)方案下的誤差累積頻率分布結(jié)果

從不同測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案下的誤差累積頻率分布結(jié)果可看出，在三條垂線精簡(jiǎn)方案下垂線平均流速作為斷面平均流速對(duì)最小流量誤差進(jìn)行推求，當(dāng)頻率累積值達(dá)到50%的測(cè)驗(yàn)誤差時(shí)，即表明流速垂線精簡(jiǎn)方案下出現(xiàn)測(cè)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。從各流速垂線精簡(jiǎn)方案下的誤差累積頻率分布結(jié)果可看出，各精簡(jiǎn)方案下的系統(tǒng)誤差低于2%，符合常規(guī)測(cè)驗(yàn)方式下的誤差要求范圍，表明采用的測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案可行。

5 主要結(jié)論

(1)山區(qū)型河流由于洪水過程歷時(shí)較短，在未進(jìn)行流速垂線精簡(jiǎn)時(shí)，需要布設(shè)8～10條測(cè)速垂線進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，常由于測(cè)流時(shí)間較長(zhǎng)，影響洪峰測(cè)流的時(shí)效性，測(cè)驗(yàn)精度也常難以滿足要求。經(jīng)過測(cè)速垂線精簡(jiǎn)后，使得一次測(cè)流時(shí)間得到明顯縮短，且能及時(shí)對(duì)洪峰流量進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，流量測(cè)驗(yàn)精度得到有效保障，使得測(cè)驗(yàn)效率和時(shí)效性得到有力提升。

(2)測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案可為流量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)提供支撐，只需要在95 m、101.6 m、115 m布設(shè)三條測(cè)速垂線，結(jié)合大斷面面積和自動(dòng)觀測(cè)的水位值，即可對(duì)流量進(jìn)行推求。