胡中南

(安徽省黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

水文測(cè)驗(yàn)是所有水文工作的前提和基礎(chǔ)，水文預(yù)報(bào)、水文分析等都由水文測(cè)驗(yàn)提供相應(yīng)的水文數(shù)據(jù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步，近幾年水文工作有了較大的變化，但相比水位、降雨觀測(cè)，流量測(cè)驗(yàn)的復(fù)雜性使其在自動(dòng)測(cè)報(bào)技術(shù)中的發(fā)展仍然相對(duì)落后。黃山水文水資源局近幾年在三陽(yáng)坑(梅溪)站、屯溪站及漁梁站等開展了雷達(dá)波在線測(cè)流，但因測(cè)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜多變、中高水流量實(shí)測(cè)難度較大等因素影響，雷達(dá)波水面系數(shù)還在進(jìn)一步率定及完善中。開展雷達(dá)波在線測(cè)流是水文站流量自動(dòng)測(cè)報(bào)的重要探索與研究，是后續(xù)流量測(cè)驗(yàn)工作的發(fā)展方向，但基于當(dāng)前環(huán)境，其穩(wěn)定性和可靠性還需進(jìn)一步提高。

當(dāng)前，纜道流速儀法測(cè)流仍是國(guó)內(nèi)流量測(cè)驗(yàn)的主要手段。各水文站在多垂線的基礎(chǔ)上經(jīng)過垂線精簡(jiǎn)分析保留了部分垂線，并以此通過部分流量加權(quán)法計(jì)算全斷面的流量。此方法施測(cè)的流量精度雖能保證，但測(cè)驗(yàn)過程耗時(shí)較多，尤其在皖南山區(qū)洪水陡漲陡落的特點(diǎn)下，削減了流量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)特性，也因鉛魚長(zhǎng)時(shí)間處于入水狀態(tài)給測(cè)驗(yàn)帶來安全隱患。因此，在常規(guī)測(cè)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索研究纜道流速儀法流量簡(jiǎn)測(cè)方法，對(duì)于應(yīng)對(duì)洪水期尤其是中高水測(cè)驗(yàn)十分重要。本文以臨溪水文站近幾年纜道流速儀實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)為載體，分析探索流量簡(jiǎn)測(cè)方法，并進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明測(cè)流結(jié)果符合相關(guān)要求，據(jù)此提出臨溪站纜道流速儀法流量簡(jiǎn)測(cè)方案及相關(guān)計(jì)算方法。

1 測(cè)站概況

1.1 基本情況

臨溪水文站建于1987年7月，位于安徽省績(jī)溪縣臨溪鎮(zhèn)臨溪村，屬錢塘江流域新安江水系楊之水，流域面積585km2，流域坡度為51.6dm/km2，流域形狀系數(shù)為0.283，是皖南山區(qū)500～1000km2代表站、二類精度站。臨溪站凍結(jié)基面與85基準(zhǔn)較差值為127.496m。測(cè)站測(cè)驗(yàn)河段順直，河槽近似矩形，河床主要由卵石及巖石組成。斷面上游360m處為楊之水與登源河交匯口，斷面中泓位置視兩河來水量大小不同而改變，斷面下游400m處有大彎道，對(duì)中高水起控制作用，水位-流量關(guān)系較為穩(wěn)定。

1.2 水位級(jí)劃分

臨溪站水位級(jí)的劃分依據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)第4章第4節(jié)規(guī)定，針對(duì)二、三類精度水文站，水位級(jí)的劃分采用典型年法，劃分結(jié)果見表1。

表1 臨溪站水位級(jí)劃分情況 單位：m

2 現(xiàn)狀測(cè)驗(yàn)情況

2.1 測(cè)驗(yàn)河段河床變化情況

臨溪站測(cè)驗(yàn)斷面附近河段因公路建設(shè)、河道采砂頻繁、汛期洪水沖刷，河床大部分位置已至基巖，河床相對(duì)穩(wěn)定，近幾年無(wú)較大變化。2017年績(jī)溪縣水利局在測(cè)驗(yàn)斷面右岸上下游修建了幾百米長(zhǎng)的漿砌塊石擋墻，使斷面發(fā)生一定變化。多重因素造就的斷面變化對(duì)低枯水期有一些影響，但對(duì)中高水水位-流量關(guān)系影響不大。

2.2 測(cè)速垂線布設(shè)情況

纜道流速儀常測(cè)法采用9條測(cè)速垂線，垂線相對(duì)固定，布設(shè)情況見表2。常測(cè)法垂線布設(shè)符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》(GB 50179—2015)的規(guī)定，大斷面及垂線分布見圖1。

表2 纜道流速儀斷面測(cè)速垂線布設(shè)情況

圖1 臨溪站大斷面及測(cè)速垂線分布情況

3 流量簡(jiǎn)測(cè)分析

3.1 分析目的及范圍

簡(jiǎn)測(cè)分析的目的是為了在保證測(cè)驗(yàn)精度的同時(shí)，以更短的時(shí)間、更安全的方式測(cè)得全斷面流量，保證流量數(shù)據(jù)的瞬時(shí)特性，為防汛抗洪搶險(xiǎn)贏得寶貴時(shí)間。因此，本次分析的范圍根據(jù)水位級(jí)劃分確定為低、中、高水部分，具體水位變幅為1.90m及以上。

3.2 分析方案

3.2.1 分析路線

臨溪站纜道設(shè)計(jì)測(cè)洪能力為7.50m，但實(shí)際測(cè)驗(yàn)中因?yàn)榱魉俅蠹捌∥锒嗟炔焕蛩?，?dǎo)致水位達(dá)5.00m左右時(shí)，尤其在漲水時(shí)段，纜道流速儀很難再以0.6測(cè)法施測(cè)，視水流情況改為全斷面0.0測(cè)法，因此該分析根據(jù)垂線流速測(cè)法分為0.6和0.0兩條線路進(jìn)行，分別命名為線路1和線路2。

3.2.2 分析資料選用情況

a.線路1：根據(jù)上述測(cè)驗(yàn)河段河床變化情況，選用2017—2020年資料分析范圍內(nèi)纜道流速儀0.6測(cè)法所有流量測(cè)次，共計(jì)81次，實(shí)測(cè)水位變幅為1.92～5.39m，實(shí)測(cè)流量變幅為60.2～969.0m3/s。

b.線路2：2017—2020年纜道流速儀0.0測(cè)法測(cè)次較少，僅有13次，因斷面變化對(duì)中高水影響較小，且較近年份2013年也發(fā)生了較大洪水，故分析資料加入2013年5次水面0.0測(cè)法流量測(cè)次，共計(jì)18次，實(shí)測(cè)水位變幅為4.80～7.36m，實(shí)測(cè)流量變幅為706.0～1720.0m3/s。

3.2.3 分析方法

常測(cè)法全斷面流量為部分流量加權(quán)所得，測(cè)流時(shí)需逐次施測(cè)各垂線流速，然后分別計(jì)算部分流速、部分面積，最后得出部分流量。常測(cè)法測(cè)速垂線較多，測(cè)驗(yàn)及計(jì)算過程較為復(fù)雜。本次簡(jiǎn)測(cè)分析的思路是以計(jì)算的常測(cè)法垂線中較少幾條垂線的算術(shù)平均流速，代表斷面的平均流速，然后與斷面面積直接相乘得出全斷面的流量，探求該計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量間的相關(guān)關(guān)系，具體分析步驟如下：

b.按相同的組合方式，將各個(gè)樣本計(jì)算所得的Q計(jì)算與相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)流量Q實(shí)點(diǎn)匯Q計(jì)算-Q實(shí)關(guān)系圖，建立同組合計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量?jī)烧咧g的相關(guān)關(guān)系。

c.根據(jù)建立的Q計(jì)算-Q實(shí)相關(guān)關(guān)系，按照相關(guān)關(guān)系公式計(jì)算各組合方式下Q計(jì)算換算的相對(duì)應(yīng)的流量Q′。

d.計(jì)算各組合方式各樣本Q′與相對(duì)應(yīng)Q實(shí)之間的相對(duì)誤差，相對(duì)誤差計(jì)算公式為

δ=(Q′-Q實(shí))/Q實(shí)×100%

e.分析并統(tǒng)計(jì)所有樣本換算流量Q′與實(shí)測(cè)流量Q實(shí)的相對(duì)誤差值，根據(jù)規(guī)范，相對(duì)誤差小于5%為合格。

f.當(dāng)某種組合方式下，各樣本相關(guān)關(guān)系計(jì)算的Q′與相對(duì)應(yīng)Q實(shí)之間的相對(duì)誤差均小于規(guī)定誤差5%時(shí)停止計(jì)算，得出最優(yōu)垂線組合方式。

線路2因?yàn)榇咕€流速為水面0.0測(cè)法，其全斷面實(shí)流量最終結(jié)果引入了水面流速系數(shù)，故為排除引入水面系數(shù)所帶來的計(jì)算誤差，本次線路2分析不引入水面系數(shù)，只分析計(jì)算的虛流量與水面0.0實(shí)測(cè)虛流量之間的相關(guān)關(guān)系，實(shí)際測(cè)驗(yàn)中在分析結(jié)果上根據(jù)計(jì)算的虛流量再加入水面系數(shù)即可。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

因此，n=3時(shí)，兩條線路的最優(yōu)垂線組合方式(30m，50m，70m)已經(jīng)能夠滿足流量簡(jiǎn)測(cè)需要，無(wú)須再繼續(xù)分析計(jì)算。為滿足流量簡(jiǎn)測(cè)的需要，且最大限度地保障測(cè)驗(yàn)的精度，從測(cè)驗(yàn)開展的方便性出發(fā)，兩條線路分析結(jié)果均選取(30m，50m，70m)的垂線組合方式。線路1、線路2相關(guān)關(guān)系見圖2、圖3。

圖2 線路1相關(guān)關(guān)系

圖3 線路2相關(guān)關(guān)系

3.4 分析結(jié)果復(fù)核計(jì)算

臨溪站2021年水位1.90m以上纜道流速儀法共測(cè)流4次，其中0.6測(cè)法3次，0.0測(cè)法1次，依據(jù)上述分析結(jié)果進(jìn)行流量復(fù)核計(jì)算，各復(fù)核樣本誤差均滿足規(guī)范要求，成果見表3。

表3 復(fù)核計(jì)算成果

4 結(jié) 語(yǔ)

通過上述臨溪站纜道流速儀法流量簡(jiǎn)測(cè)分析研究可知，兩條線路簡(jiǎn)測(cè)分析代表垂線均為(30m，50m，70m)的組合，相關(guān)關(guān)系分別為

Q′=0.87Q計(jì)算+5.74

(1)

Q′=0.74Q計(jì)算+134

(2)

即水位在1.90m以上開展0.6(30m，50m，70m)3垂線簡(jiǎn)測(cè)時(shí)，用式(1)計(jì)算全斷面流量；水位在5.00m左右及以上開展0.0(30m，50m，70m)3垂線簡(jiǎn)測(cè)時(shí)，用式(2)計(jì)算全斷面虛流量，相關(guān)關(guān)系可在分析范圍內(nèi)適當(dāng)上延運(yùn)用。兩條線路簡(jiǎn)測(cè)分析的代表垂線一致，說明全斷面代表垂線與水位級(jí)、測(cè)法等無(wú)關(guān)，只與垂線位置有關(guān)，這3條垂線代表了斷面流速的分布特點(diǎn)。

本次簡(jiǎn)測(cè)分析線路2受限于樣本數(shù)目，建議后續(xù)在常規(guī)測(cè)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加分析樣本，進(jìn)一步完善分析結(jié)果。兩條線路包含的分析范圍已足夠滿足簡(jiǎn)測(cè)需要，建議臨溪站在中高水期間，尤其是漂浮物較多、洪水變幅較大等不利時(shí)期，根據(jù)分析結(jié)果多開展流量簡(jiǎn)測(cè)，為快速開展防汛搶險(xiǎn)提供較為精確的流量數(shù)據(jù)。