水文測站流量間測可行性分析

呂樹龍

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

近年來，隨著中小河流水文站網建設的逐步完成，相應的水文測驗任務將隨之增加。在測站管理及人員配置上，將面臨諸多困難。當前，對于水文測站流量測驗的研究成果較多[1-8]，但是對于水文測站的流量間測研究的成果還不多見。為了人力、物力資源的有效組織與協調配置，充分利用先進的測驗設備與技術，結合測站的基本特性、測驗條件，文章根據SL 195—2015《水文巡測規范》的有關規定，以沙尖子水文站實測資料作為分析對象，尋求水文站流量間測的可行性。

1 概況

1.1 流域概況

沙尖子水文站位于鴨綠江流域渾江水系渾江干流上，渾江發源于吉林省境內的長白山支脈龍崗山南麓，是鴨綠江流域在中國一側的最大支流，在白山市三岔子鎮匯合后稱為渾江。全長447km，總流域面積15381km2，其中遼寧省境內流域面積6869km2，河長291km。渾江坡陡流急，自然落差較大。流域內河床穩定，為巖石和卵石組成，河道比降2.2‰，水流湍急，洪水漲落快，屬山溪性河流。

流域多年平均降雨量在870mm左右，主要降雨集中在7—8月。形成暴雨的天氣系統主要為華北氣旋和臺風。流域特定的地理位置和地形是形成暴雨的有利條件，夏季暴雨常在該流域出現，另外，該流域易受臺風侵襲，發生暴雨或大暴雨。

1.2 水文測站概況

沙尖子水文站位于桓仁滿族自治縣沙尖子鎮金坑村，東經125°31＇0.1″，北緯41°20＇47.3″，集水面積14863km2。為鴨綠江流域渾江水系渾江干流上游控制站，國家重要水文站，流量測驗精度為一類。該站測驗河段順直，左岸為沙土緩坡，右岸為巖石陡坡，河床由沙卵石組成，沖淤變化不大，測站控制良好，歷年水位流量關系為穩定的單一曲線。

該站洪水主要由暴雨形成，暴雨多發生在6—9月，期間降水量占全年的71.7%。降水的年內分配不均，導致了徑流量年內分配也不均勻，但由于受上游金哨水利樞紐工程影響，一般汛期泄洪，受其調節影響，全年徑流量大部分集中在7—9月份，并且受下游哨口控制，斷面較穩定，上游植被較好，河床坡降較為平緩，水清沙少。

1.3 測驗情況

沙尖子水文站設立于1939年9月，斷面遷移兩次，分別是：1951年6月基本水尺斷面上遷150m，站名為沙尖子(二)站。2003年6月基本水尺斷面下遷8000m，站名為沙尖子(三)(壩下)站。

該站測驗項目有流量、水位、降水、蒸發、比降、懸移質、水溫、墑情、水文調查。

該站主要測驗設備為水文電動纜道，主要測驗儀器有：全站儀、水準儀、水位自記儀、流速儀。

2 大斷面沖於變化分析

沙尖子水文站測驗河段的順直段約500m，河床由沙壤土、砂礫石、巖石組成。左岸為灘地，右岸為陡坡。根據沙尖子水文站近5年(2010—2016年)實測大斷面資料點繪沙尖子水文站流量測驗斷面大斷面套繪圖(圖1)，其中2014年實測大斷面未刊印，且2011年流量較小，故前推至2010年。經計算這5年中各相鄰年份大斷面面積低水最大相差4.97m2，變幅占上一年同級水位斷面面積的1.09%；中水最大相差4.00m2，占上一年同級水位斷面面積的0.4%；高水最大相差26.7m2，占上一年同級水位面積的1.42%。由以上數據可以看出，沙尖子水文站流量測驗斷面相對穩定，年際沖淤變化不大。

圖1 沙尖子站大斷面變化情況圖

表1 大斷面變化分析表

3 流量間測可行性分析

3.1 流量間測應滿足的條件

根據SL 195—2015第4.2.6條規定，有5年以上資料的水文站，經分析論證實測流量的相應水位變幅已控制歷年水位變幅80%以上，歷年水位流量關系或者其他水力因素與流量的關系符合下列條件之一的，可實行間測。

(1)每年的水位流量關系曲線或單值化曲線同歷年綜合關系曲線之間最大的偏離誤差不超過巡測規范所規定的允許誤差范圍。

(2)各相鄰年份的曲線之間最大的偏離誤差不超過巡測規范所規定的允許誤差范圍。

(3)在年水位變幅的部分范圍內，如果水位流量關系是單一線并符合巡測規范所規定條件的，可以在一年的部分水位級內實行間測。

(4)水位流量關系復雜的，通過單值化處理，可達到巡測規范所規定的條件的。

(5)在枯水期，流量變化不大，多年枯水總量占年總量在5%以內，且對這一時期不需要施測流量過程的。

(6)對潮流站，當有多年資料證明潮汐要素與潮流量關系比較穩定的。

(7)堰閘測流的流量系數多年穩定，且不超過巡測規范所規定的允許誤差范圍的。

3.2 資料系列的選取

選取沙尖子水文站最近5年(2010，2012，2013，2015，2016)實測系列資料進行單值化分析(其中2011年流量較小。2014年站上金哨電站沒有棄水，故沒有參加資料分析)。這5年資料中實測流量水位變幅占歷年水位變幅的97.9%，且經豐、平、枯水典型年分析，其中包括大水年2012年、枯水年2015年資料，實測流量的水位變幅已控制歷年(包括大水、枯水年份)水位變幅80%以上。因此，所選取資料符合要求。

3.3 各年關系線定線誤差

該站的水位流量關系十分穩定，呈顯著的單一關系(圖2)。將檢測期各年實測流量點據點繪在坐標方格紙上，通過點群中心定一條光滑的曲線，根據水位流量節點數據對關系線進行三種檢驗，并計算其隨機不確定度和系統誤差。計算結果詳見表2。

圖2 沙尖子站歷年水位流量關系線

表2 沙尖子站各年關系線定線誤差表

從表2中可看出，5年的隨機不確定度均不超過SL195—2015表2規定中對一類精度水文站的要求，且每年的系統誤差都不大于1%，因此可定為單一線。

3.4 綜合關系線定線誤差

根據沙尖子水文站水文測驗實測資料，將歷年所有的實測流量點據全部點繪在坐標方格紙上，通過點據中心定一條光滑的曲線(圖3)。對關系線進行三種檢驗及隨機不確定度計算。計算結果詳見表3。

表3 沙尖子站綜合關系線定線誤差表

從表3中可看出，隨機不確定度為0.28%，符合SL195—2015表2規定中對一類精度水文站高水的要求，且系統誤差都不大于1%，因此可定為單一線。

3.5 流量間測誤差分析

按照SL195—2015有關規定，如果能證明：每年的水位流量關系線與檢測期綜合關系曲線之間的最大偏離不超過SL195—2015表8之規定，可實行流量間測。

將該站水位123.30m以下確定為枯水(枯水流量變化不大，多年枯水總量占年總量5%以內且這一時期不需要測流)，水位123.30～126.00m確定為低水，水位126.00～131.00m為中水，水位131.00m以上為高水。對各年的水位流量關系線與綜合水位流量關系線進行比較，計算各年關系線與綜合線的偏離值，其最大偏離值詳見表4。

表4 沙尖子站每年關系線與綜合線最大偏離值

從表4中可以看出沙尖子站在低、中、高水時每年關系線與歷年綜合線最大偏離值符合SL195—2015表8的規定，可實行間測。

4 結論

經分析論證，沙尖子水文站歷年水位流量關系穩定呈單一線，低、中、高水水位流量關系曲線定線符合SL195—2015規定的允許誤差，符合流量間測的有關規定，滿足間測要求，實行流量間測是可行的。若實行流量間測，應按照規范要求進行檢測分析。實行間測者，間測點應分布于高、中、低各級水位，并必須用較高精度的測驗方案。每次都要檢查是否超出規范規定的允許誤差范圍，如果超出允許誤差范圍，應當在現場即時分析。屬于測驗失誤，應就地復測；屬于測站控制條件發生變化，應增加巡測次數，采用當年實測成果定線推流，并應于次年恢復正常測流。當間測期間，發生稀遇洪水，或發現水工程措施等人類活動對測站控制條件有明顯影響時，應恢復正常測流。