安頭水文站水位～流量關(guān)系曲線合并定線分析

王占峰，王海強(qiáng)

（陜西省咸陽水文水資源勘測(cè)局，陜西 咸陽 712000）

1 概況

安頭水文站是渭河左岸一級(jí)支流，控制站。漆水河發(fā)源于寶雞市麟游縣招賢鎮(zhèn)永豐村硬里溝，由溝里的山泉小溪匯聚而成。多年平均降雨583.1mm,徑流量0.622m3，輸沙量73.6萬t。2014年8月6日554m3/s，水位99.51m。本站系漆水河羊毛灣水庫(kù)入庫(kù)控制站，屬國(guó)家重要站。

收集和研究流域內(nèi)各項(xiàng)水文特征，掌握該流域降水徑流變化規(guī)律，探討代表區(qū)域產(chǎn)流、匯流規(guī)律，積累該流域系列樣本資料，為防汛抗旱減災(zāi)提供實(shí)時(shí)雨水情信息和預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)，為流域規(guī)劃、綜合治理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、科學(xué)研究、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供水文數(shù)據(jù)，為實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理三條紅線提供考核保障，為水資源開發(fā)利用和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。本文通過對(duì)安頭水文站水位～流量關(guān)系進(jìn)行合并定線，選取近5年水位、流量實(shí)測(cè)資料進(jìn)行合并定線分析。

2 河段斷面分析

安頭水文站為渭北地區(qū)中等面積區(qū)域代表站，河段較順直，基本斷面以下350m處有一彎道，基本斷面左岸為土石山坡，有引水渠一條；右岸為土坎，坎上有一選料場(chǎng)。受周圍自然地理環(huán)境的影響，多年來主流擺動(dòng)較小。河段共布設(shè)上、中、下三個(gè)斷面。基本水尺斷面兼流速儀測(cè)流斷面及浮標(biāo)中斷面，上下浮標(biāo)斷面兼比降斷面，浮標(biāo)斷面與比降斷面重合，上下斷面間距160m。基線布設(shè)在左岸堤頂，長(zhǎng)度80.0m。

測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目主要有水位、流量、泥沙、降雨量、蒸發(fā)、冰情等觀測(cè)項(xiàng)目，隨著中小河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，水位、雨量觀測(cè)采用雷達(dá)水位計(jì)、遙測(cè)雨量計(jì)觀測(cè)，信息傳輸采用GPRS、GSM傳輸設(shè)備。本站雷達(dá)水位計(jì)經(jīng)對(duì)比分析，省水文局2013年已批復(fù)雷達(dá)水位計(jì)投產(chǎn)使用。流域內(nèi)大部分雨量站采用遙測(cè)雨量計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸。

安頭站河床由砂卵石組成，下層為基巖，斷面沖淤變化較小。根據(jù)點(diǎn)繪的1990~2016年汛前實(shí)測(cè)大斷面圖可以看出，斷面沖淤變化可分為三個(gè)階段：1990年至2003年為第一階段，主流基本在起點(diǎn)距22~40m之間，平均河底高程為94.18m，平均河底高程變化最大為0.17m。2007~2011年為第二階段，主流還在起點(diǎn)距22~40m之間，平均河底高程為94.81m，平均河底高程變化最大為0.12m。2014~2016年為第三階段，主流還在起點(diǎn)距22~40m之間，平均河底高程為95.26m，平均河底高程變化最大為0.08m。從1992~2011年河床平均淤積0.73m，2011~2014年河床平均淤積0.50m，2015~2016年河床又開始沖刷。由此可以說明，安頭站從建站以來，河床有沖有淤，但幅度不大。總的來說河床沖淤變化較小，分析其沖淤變化的主要原因是，斷面上游采石場(chǎng)炸石時(shí)將碎石飛入河道，漲水時(shí)又將碎石、泥沙帶到基本斷面淤積，當(dāng)較大洪水發(fā)生時(shí)又將基本斷面沖刷。斷面沖淤變化詳見表1、圖1、圖2。

表1 安頭站基本斷面沖淤變化分析表

圖1 安頭站1990-2016年年平均河底高程變化圖

圖2 漆水河安頭站歷年實(shí)測(cè)大斷面圖

3水位流量關(guān)系合并定線分析

3.1 流量測(cè)驗(yàn)基本情況

該站多年來流量測(cè)驗(yàn)中高水采用LS(25-1)、流速（68）型流速儀實(shí)測(cè)。流速儀水面系數(shù)為0.80（經(jīng)驗(yàn)系數(shù)）、流速儀半深系數(shù)0.90（經(jīng)驗(yàn)系數(shù)），測(cè)速歷時(shí)100 s。簡(jiǎn)測(cè)法測(cè)流時(shí)，采用相對(duì)0.6一點(diǎn)法，流速歷時(shí)縮短到30 s。大洪水、特大洪水采用中泓浮標(biāo)及均勻浮標(biāo)法測(cè)流，浮標(biāo)形式為麥桿“+”字型，中泓浮標(biāo)系數(shù)為0.63（試驗(yàn)值），均勻浮標(biāo)系數(shù)為0.80（試驗(yàn)值）。

3.2 近幾年水位—流量關(guān)系合并定線分析

由于水位流量關(guān)系主要受斷面面積與流速影響，從理論上來說，水文站的大斷面在某一年漲水后，直到來年漲大水前，斷面變化是很小，水位流量關(guān)系基本沒有變化，若有變化大多也是測(cè)驗(yàn)誤差引起的。從安頭站歷年實(shí)測(cè)大斷面套匯圖可以看出，該站基本斷面總的來說，沖淤變化較小，高水控制又好。因此，該站歷年中低水水位流量關(guān)系曲線多呈相對(duì)穩(wěn)定的臨時(shí)曲線，高水為較穩(wěn)定的單一曲線。

本次選用2010年50~71次實(shí)測(cè)流量與2011年1~44次實(shí)測(cè)流量點(diǎn)繪關(guān)系圖、2011年57~73次實(shí)測(cè)流量與2012年1~42次實(shí)測(cè)流量關(guān)系圖、2012年43~62次實(shí)測(cè)流量與2013年1~30次實(shí)測(cè)流量關(guān)系圖、2013年31~56次實(shí)測(cè)流量與2014年1~30次實(shí)測(cè)流量關(guān)系圖。2010~2014年實(shí)測(cè)最大流量為2014年的554m3/s，最小流量為2011年的0.088m3/s；最高水位為99.51m，最低水位為94.76m。詳見圖3~圖6。

從圖中可以看出：本年漲大水前的水位流量關(guān)系點(diǎn)與上一年大水后的水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集，分布呈帶狀，無明顯偏離，說明上一年的落水和本年的漲水在同一條水位～流量關(guān)系曲線上。可以按照合并定線的方法，通過點(diǎn)群中心確定一條綜合的水位流量關(guān)系曲線，用于上一年大水后和本年漲大水前推流。

圖3 2010年50-71次流量與2011年1-44次實(shí)測(cè)流量點(diǎn)關(guān)系曲線圖

圖4 2011年57-73次流量與2012年1-42次實(shí)測(cè)流量點(diǎn)關(guān)系曲線圖

圖5 2012年43-62次流量與2013年1-30次實(shí)測(cè)流量點(diǎn)關(guān)系曲線圖

圖6 2013年31-65次流量與2014年1-30次實(shí)測(cè)流量點(diǎn)關(guān)系曲線圖

4 誤差分析計(jì)算

4.1 誤差計(jì)算的方法

按照《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）要求，并進(jìn)行了符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離數(shù)值檢驗(yàn)等三種檢驗(yàn)。

4.1.1 關(guān)系曲線的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算

依據(jù)流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)對(duì)應(yīng)線的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差公式，確定標(biāo)準(zhǔn)差。

置信水平95%的相對(duì)隨機(jī)不確定度公式：式中：Se為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，%；X為相對(duì)隨機(jī)不確定度，%。

4.1.2 誤差計(jì)算結(jié)果

經(jīng)三種檢驗(yàn)計(jì)算，2010年與2011年合并定線的標(biāo)準(zhǔn)差為9.2%，系統(tǒng)誤差為-0.3%；2011年與2012年聯(lián)合定線的標(biāo)準(zhǔn)差為6.0%，系統(tǒng)誤差為0.3%；2012年與2013年合并定線的標(biāo)準(zhǔn)差為5.6%，系統(tǒng)誤差為-0.2%；2013年與2014年合并定線的標(biāo)準(zhǔn)差為4.6%，系統(tǒng)誤差為0.3%。

表3 單一線法定線允許隨機(jī)不確定度 單位：%

表4 漆水河安頭站2010～2014年水位～流量關(guān)系曲線檢驗(yàn)計(jì)算表

4.2 誤差計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》（SL195-2015）第4.5.1條之規(guī)定，水位流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集，分布呈帶狀，無明顯偏離，系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值一類精度水文站不大于1%，二、三類精度水文站不大于2.0%（各類精度的水文站比降～面積法定線系統(tǒng)誤差可放寬1%），且實(shí)關(guān)系點(diǎn)據(jù)與關(guān)系線間的定線誤差不大于表3允許誤差者，可定單一線。

安頭站屬基本水文站，本年漲大水前的水位流量關(guān)系點(diǎn)與上一年大水后的水位流量關(guān)系點(diǎn)合并定線后，三種檢驗(yàn)2010年與2011年合并定線的隨即不確定度為18.4%，系統(tǒng)誤差為-0.3%；2011年與2012年合并定線的隨即不確定度為12.0%，系統(tǒng)誤差為0.3%；2012年與2013年合并定線的隨即不確定度為11.2%，系統(tǒng)誤差為-0.2%；2013年與2014年合并定線的隨即不確定度為9.2%，系統(tǒng)誤差為0.3%。該站中高水多用浮標(biāo)法測(cè)流，所以隨機(jī)不確定度可增大4%，即最大不超過19.0%（見表4）。因此，安頭站可用上年的落水點(diǎn)與本年漲大水前的關(guān)系點(diǎn)據(jù)合并定單一線。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

安頭站2010~2014年實(shí)測(cè)最大流量為2014年的554m3/s，最小流量為2011年的0.088m3/s；最高水位為99.51m，最低水位為94.76 m。實(shí)測(cè)流量的水位變幅已超過歷年水位變幅的80%，且水位流量關(guān)系合并定線后，三種檢驗(yàn)2010年與2011年合并定線的隨即不確定度為18.4%，系統(tǒng)誤差為-0.3%；2011年與2012年合并定線的隨即不確定度為12.0%，系統(tǒng)誤差為0.3%；2012年與2013年合并定線的隨即不確定度為11.2%，系統(tǒng)誤差為-0.2%；2013年與2014年合并定線的隨即不確定度為9.2%，系統(tǒng)誤差為0.3%，可定單一線。

5.2 建議

（1）綜合考慮安頭站，流量測(cè)驗(yàn)按水位級(jí)布點(diǎn)，全年不少于15次；但當(dāng)年洪峰超過100m3/s時(shí)，加測(cè)落水Q≤50m3/s流量測(cè)驗(yàn)，適當(dāng)增加落水流量測(cè)驗(yàn)點(diǎn)子。

（2）該站流量在上一年水位變幅內(nèi)按水位級(jí)布設(shè)流量測(cè)次，校核水位流量關(guān)系曲線，當(dāng)水位變幅超出上一年的范圍時(shí)，也按水位級(jí)布設(shè)流量測(cè)次，延長(zhǎng)上一年的水位流量關(guān)系曲線。參照上一年的水位流量關(guān)系曲線，依據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)子定線推流。

（3）當(dāng)斷面發(fā)生較大變化時(shí)，及時(shí)恢復(fù)流量測(cè)驗(yàn)。力爭(zhēng)控制流量變化過程，待斷面趨于常態(tài)穩(wěn)定時(shí)，適當(dāng)精簡(jiǎn)測(cè)流次數(shù)。

建議該站流量在上一年水位變幅內(nèi)按水位級(jí)布設(shè)流量測(cè)次，校核水位流量關(guān)系曲線，用上一年的水位流量關(guān)系曲線推流。當(dāng)水位變幅超出上一年的范圍時(shí)，也按水位級(jí)布設(shè)流量測(cè)次，延長(zhǎng)上一年的水位流量關(guān)系曲線。當(dāng)斷面發(fā)生較大變化時(shí)，及時(shí)恢復(fù)流量測(cè)驗(yàn)。該站實(shí)行合并定線后，一是節(jié)約了大量的人力資源，由傳統(tǒng)的水文測(cè)驗(yàn)?zāi)Ｊ街薪夥懦鰜恚欢菫殚_展水文巡測(cè)提供了技術(shù)支撐。