雙捷水文站流量測驗簡測法分析

摘 要：雙捷水文站受天然洪水漲落、水利工程閘門啟閉和天文潮汐漲落等因素影響，水位漲落較快，流量測驗時機難以把握。依據現有實測流量資料，對垂線數和測點總數進行合理精簡，大大縮短了流量測驗時間，較大程度上解決了流量測驗難題。

關鍵詞：雙捷水文站；流量測驗；簡測法；流量

中圖分類號：P332.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.068

1 流量測驗概述

流量測驗是基層水文測站的重要工作之一，也是水資源開發利用的基礎工作。流量測驗精度對工程設計、防洪減災、洪水預警預報等方面有著重要的影響。在實際工作中，部分水文站受諸多因素的影響，比如天然洪水漲落、水利工程閘門啟閉和天文潮汐漲落等影響，其水位漲落較快，流量測驗時機難以把握。在保證測驗精度的前提下，如何有效完成各項測驗任務，是基層水文站必須解決的難題。本文以雙捷水文站為例，合理優化流量測驗方案，在保證測驗精度的前提下，加快流量測驗進程，大大減少了流量測驗時間。

2 測站概況

雙捷水文站是漠陽江干流控制站，位于陽江市江城區雙捷鎮，集水面積4 345 km2，地理坐標為東經 111°48'21″，北緯 21°57'15″。該站是國家重要水文站、中央報汛站，主要負責漠陽江流域的江河治理、防汛抗旱、水資源開發利用、水工程的建設管理，并系統地收集水文資料。測驗項目主要有水位、流量、泥沙、降雨量、水質等。建站以來，實測最高水位9.04 m（全文水位、高程均為凍結基面），相應流量為4 390 m3/s，出現在1981-10-09.

3 測驗河段水文特性

雙捷水文站控制斷面所在河段順直，高水位時無漫灘分流，兩岸為泥土質，河床為沙質。測流斷面上游1 125 m處有雙捷水利樞紐一座，包含攔河壩一座和捷東、捷西渠道引水工程，攔河壩有閘門72孔控制，左側有船閘，右側于2001-08建成電站。測驗斷面水流受攔河壩閘門啟閉和天文潮漲落綜合影響，水位漲落較快。當上游出現較大洪水時，雙捷水利樞紐閘門全開，雙捷河段接近自然河流，水位較高，不受天文潮漲落影響；當洪水退去時，雙捷站水位受雙捷水利樞紐閘門啟閉而急劇漲落，也會受天文潮漲落影響，特別在枯水期尤為明顯。近年來，雙捷站中高水水位流量關系呈現單一曲線，但測驗斷面下游采沙頻繁，河床年內沖淤變化較大，總體呈逐年下切趨勢，導致水位流量關系線逐年向右偏移。

4 流量測驗現狀

雙捷水文站流量測驗方法為流速儀法，測驗方式為：在中高水時采用纜道施測，低水時涉水施測。目前雙捷站流量測驗方案主要有精測法和常測法，兩種方案的測速垂線分布和測點布置情況如表1所示。

表1 雙捷站流量測驗方案

測驗方案 測速垂線

/總測點 相對水深 測速垂線起點距/m

精測法 21/42 0.2，0.8 30，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150，170，190，210，230，250，270， 290，310，330

常測法 11/22 0.2，0.8 30，50，70，90，110，130，170，210，250，290，330

近5年來（2009—2013年），雙捷站平均流量測驗次數為38次，其中精測法1次，常測法37次，各年流量測驗情況如表2所示。

表2 雙捷站近年流量測驗情況一覽表

年份 2009 2010 2011 2012 2013

精測法 2 1 1 1 1

常測法 37 38 38 39 38

5 簡測法分析

5.1 分析思路

簡測法分析的目的是在保證流量測驗成果精度的前提下，縮短測流歷時，減少工作量，提高測報質量，做到測得到、測得準、測得快。可充分利用現有資料成果，在現有測驗方案的基礎上對測速垂線數和測點總數進行合理精簡，使精簡后的指標流速與斷面平均流速之間的關系良好，流量測驗簡測法誤差界限如表3所示，該簡測方案即可成立。

表3 流量測驗簡測法誤差界限

類別 累積頻率達75%

以上的誤差 累積頻率達95%

以上的誤差 系統誤差

以常測法資料精簡 不超過±4% 不超過±8% 不超過±1%

圖1 雙捷站斷面流速分布

5.2 簡測方案

5.2.1 水位級的確定

根據雙捷站水文特性，中高水水位流量關系呈單一曲線，另外，河床年內沖淤變化較大，總體呈逐年下切趨勢，并綜合分析近年來雙捷站流速儀測流斷面大斷面，如圖1所示，最終確定本次簡測法分析僅針對2 m以上水位的測次。

5.2.2 測速垂線總數的確定

由于雙捷站河床年內沖淤變化較大，單條垂線缺乏代表性，因此本次分析簡測法垂線總數暫定3條，如果指標流速與斷面平均流速關系或誤差超標，則要適當增加垂線。

5.2.3 測速垂線分布

根據雙捷站常測法垂線分布情況和流速儀測流斷面中高水流速分布情況，選取起點距90 m、170 m、250 m作為簡測法測速垂線。

5.2.4 測點總數確定

雙捷站常測法垂線平均流速采用2點法，即相對水深0.2和0.8，簡測法分析擬按兩種方案進行優選，如表4所示。

表4 雙捷站流量測驗簡測法

測驗方案 測速垂線/總測點 相對水深 測速垂線

起點距/m 指標流速

方案A 3/3 0.2 90，170，250 VA=（∑V0.2）/3

方案B 3/6 0.2，0.8 90，170，250 VB=（∑V0.2）/3+（∑V0.8）/3

5.3 方案優選

5.3.1 資料選取

2011年底，雙捷站啟用新建纜道開展流量測驗，起點距測量比之前船測相對準確，因此選取2012-01—2013-12期間水位高于2 m的流量測次作為分析對象，總共有24份流量測次滿足條件。

5.3.2 建立斷面平均流速與指標流速相關關系

針對所選取的24份流量測次，按照方案A和方案B計算各測次指標流速，將斷面平均流速與兩方案的指標流速關系點繪于圖上，并分別建立相關關系式，如圖2、圖3所示。

5.3.3 簡測方案優選

從圖2和圖3中可以看出，兩種方案的指標流速與斷面平均流速相關關系較好，相關系數R2比較接近，且均大于0.95.但實際上，方案A比方案B更優，其原因有兩點：①斷面平均流速與方案A的指標流速的相關性更好；②方案A測點總數是方案B測點總數的一半，在理論上能節省近一半的測驗時間。所以應該選取方案A作為雙捷站的簡測法，關系式為V斷=0.722VA+0.189.

圖2 斷面平均流速與方案A指標流速關系

圖3 斷面平均流速與方案B指標流速關系

5.4 誤差分析

針對滿足條件的24份流量測次，采用方案A進行流量精簡，計算每次流量精簡后斷面平均流速的相對誤差，并統計75%和95%頻率的誤差以及系統誤差，如表5所示。

由表5可知，采用方案A計算的流量與實測流量的相對誤差不超過±4.0%的有21份，累積頻率為87.5%，相對誤差不超過±8.0%的有18份，累積頻率為100%，系統誤差為-0.01%，滿足表3中的簡測法誤差界限。如圖4所示，簡測法和常測法的比值為1.00，其線型為一條直線，表明簡測法和常測法關系良好。

表5 雙捷水文站簡測法誤差分析

序號 水位/m 流量

/（m3/s） 指標流速

/（m/s） 簡測法斷面平

均流速/（m/s） 簡測法流

量/（m3/s） 誤差 簡常

系數

1 3.39 1 030 1.57 1.32 1 020 -1.0 0.99

2 4.72 1 810 1.86 1.53 1 850 2.2 1.02

3 4.03 1 350 1.51 1.28 1 320 -2.2 0.98

4 3.82 1 290 1.55 1.31 1 300 0.8 1.01

5 3.53 1 060 1.48 1.26 1 050 -0.9 0.99

6 4.47 1 700 1.79 1.48 1 720 1.2 1.01

7 4.23 1 520 1.67 1.39 1 540 1.3 1.01

8 3.09 860 1.31 1.13 835 -2.9 0.97

9 2.19 457 1.07 0.96 438 -4.2 0.96

10 3.81 1 230 1.51 1.28 1 210 -1.6 0.98

11 2.73 720 1.32 1.14 728 1.1 1.01

12 2.06 443 0.99 0.90 428 -3.4 0.97

13 2.58 680 1.24 1.08 692 1.8 1.02

14 2.85 771 1.41 1.21 785 1.8 1.02

15 3.26 981 1.34 1.16 970 -1.1 0.99

16 3.69 1 290 1.65 1.38 1 290 0.0 1

17 2.18 516 1.17 1.03 520 0.8 1.01

18 2.33 580 1.24 1.08 616 6.2 1.06

19 3.65 1 270 1.60 1.34 1 280 0.8 1.01

20 4.78 2 050 1.81 1.50 2 010 -2.0 0.98

21 4.99 2 160 1.79 1.48 2 150 -0.5 1

22 4.41 1 700 1.60 1.34 1 650 -2.9 0.97

23 3.04 906 1.41 1.21 956 5.5 1.06

24 4.41 1 770 1.68 1.40 1 750 -1.1 0.99

均值 -0.01 1.00

圖4 雙捷水文站流量測驗簡、常系數

6 結論與建議

誤差分析結果表明，雙捷水文站流量簡測法成果精度滿足規范要求，測點代表性較好，適用于雙捷水文站中高水位的流量測驗。流量測驗簡測法在開展流量測驗時安全性高、歷時短、滿足測驗精度要求，在全國水文站網布局逐漸完善、基層水文測站測驗任務不斷加重的今天，值得各水文站大力推廣應用。

參考文獻

[1]中華人民共和國水利部.GB 50179—93河流流量測驗規范[S].北京：中國計劃出版社，1994.

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作者簡介：周建剛（1984—），男，大學本科，工程師，廣東省水文局江門分局技術科副科長，主要研究方向為水文資料整編、水文分析計算、水資源信息編發等。

〔編輯：王霞〕