高洪期大興鎮(zhèn)水文站流量測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn)分析

王 歡，封一波，殷懷進(jìn)

(江蘇省水文水資源勘測(cè)局連云港分局，江蘇 連云港 222004)

垂線精簡(jiǎn)分析是流量測(cè)驗(yàn)工作中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)精簡(jiǎn)分析，制定比較合理的施測(cè)方案，在保證流量測(cè)驗(yàn)成果精度的前提下，可以減少測(cè)流的工作量，縮短測(cè)流歷時(shí)，搶測(cè)洪峰，提高測(cè)報(bào)質(zhì)量。遇到特殊水情時(shí)，可將其作為高洪測(cè)流的一個(gè)補(bǔ)充方案，在搶測(cè)洪峰流量時(shí)使用。

1 概況

新沭河是沭河重要支流，西起大官莊樞紐新沭河泄洪閘，向東流經(jīng)大興鎮(zhèn)入江蘇省石梁河水庫(kù)，出庫(kù)后東流至臨洪河口入海。河道全長(zhǎng)80km(含石梁河水庫(kù)庫(kù)區(qū)段15km)，區(qū)間流域面積2850km2，主要支流有牛腿溝、石門河、蒼源河、穆疃河、薔薇河、夏莊河、朱范河等。沂沭泗河洪水東調(diào)南下續(xù)建工程新沭河治理工程實(shí)施后，新沭河防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，上段設(shè)計(jì)流量7590m3/s，中段設(shè)計(jì)流量6000m3/s，下段設(shè)計(jì)流量6000～6400m3/s。

大興鎮(zhèn)水文站位于淮河流域沭河水系新沭河上中游，流量測(cè)驗(yàn)斷面橫跨蘇魯兩省交界，為石梁河水庫(kù)上游干流入庫(kù)控制站。主要為控制新沭河干流徑流，積累資料，探求流域水文規(guī)律，為下游(主要為石梁河水庫(kù))防汛抗旱和水利工程調(diào)度等提供水文情報(bào)服務(wù)。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、降水量、輸沙率和水質(zhì)，全年采用纜道流速儀測(cè)流。該站屬山丘區(qū)雨洪特性，測(cè)站上游20km有大官莊節(jié)制閘節(jié)制上游來(lái)水，當(dāng)該閘執(zhí)行分沂入沭洪水分洪任務(wù)時(shí)，洪水水位變幅大，洪水含沙量大，洪峰量大，河道中漂浮物多。常測(cè)法受測(cè)流歷時(shí)和測(cè)速垂線數(shù)限制，搶測(cè)洪峰特別困難。同時(shí)在高洪情況下，洪水中含沙量大，河道漂浮物多，使ADCP法等應(yīng)急測(cè)流方案受限。因此，研究垂線精簡(jiǎn)等簡(jiǎn)便易行的方法顯得尤為重要。

2 精簡(jiǎn)分析設(shè)計(jì)方案

2.1 劃分流量級(jí)

根據(jù)大興鎮(zhèn)水文站多年的實(shí)測(cè)資料和GB 50179—93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》劃分流量級(jí)。流量高于或等于1500m3/s時(shí)為高水期；流量低于1500m3/s，但高于或等于500m3/s為中水期；流量低于500m3/s為低水期。

2.2 資料選取

根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)學(xué)》規(guī)定:流速垂線精簡(jiǎn)分析應(yīng)以高、中、低水位且均勻分布的不少于30份精測(cè)法實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行精簡(jiǎn)分析。由于本站沒(méi)有精測(cè)資料，因此選用常測(cè)法資料進(jìn)行相關(guān)分析。

2014年，大興鎮(zhèn)水文站斷面受施工影響，導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)斷面形式及面積發(fā)生變化；施工后斷面形式保持一致，斷面穩(wěn)定。為使實(shí)測(cè)流速分析數(shù)據(jù)具有代表性，本次分析選用大興鎮(zhèn)水文站近3年來(lái)較大洪水的流量測(cè)次為基礎(chǔ)資料。

2.3 誤差控制指標(biāo)

根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)與查勘》規(guī)定：選用常測(cè)法資料進(jìn)行垂線精簡(jiǎn)分析時(shí)，當(dāng)累積頻率達(dá)75%以上的偶然誤差不超過(guò)±4%，累積頻率達(dá)95%以上的偶然誤差不超過(guò)±8%，系統(tǒng)誤差不超過(guò)±1%時(shí)，這些垂線、測(cè)點(diǎn)可作為簡(jiǎn)測(cè)法使用。根據(jù)SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》，河道站用流速定線精度指標(biāo)，對(duì)于一類精度的河道站，取置信水平為95%的隨機(jī)不確定度為8%。

2.4 工作步驟

垂線精簡(jiǎn)分析的關(guān)鍵在于合理的挑選出斷面的代表測(cè)速垂線。因此，首先根據(jù)斷面不同流量級(jí)的測(cè)流數(shù)據(jù)，繪制出測(cè)流斷面垂線平均流速的橫向分布曲線，掌握不同流量級(jí)下各條垂線流速的分布變化趨勢(shì)(若各垂線的曲線線形大體一致，則只考慮通常的精簡(jiǎn)方案，若各垂線的曲線線形在不同流量級(jí)間曲線線形不一致，則需考慮適用于不同流量級(jí)的多個(gè)精簡(jiǎn)方案)。再通過(guò)觀察垂線平均流速的橫向分布曲線分布，選擇不同流量級(jí)間各垂線平均流速比值較為穩(wěn)定的垂線作為代表垂線。最后摘出代表垂線的平均流速與斷面平均流速建立關(guān)系線，檢驗(yàn)合格后，垂線精簡(jiǎn)完成。

3 精簡(jiǎn)分析應(yīng)用實(shí)例

大興鎮(zhèn)水文站測(cè)驗(yàn)斷面寬380m，上下游河道基本順直，長(zhǎng)度約1000m。斷面處無(wú)分流岔流，中高洪水時(shí)，中泓偏左會(huì)出現(xiàn)水流左右擺動(dòng)，流向不正；中泓偏右，流速流向穩(wěn)定。根據(jù)斷面形式，共布設(shè)9條測(cè)速垂線，分布位于起點(diǎn)距80.0、100、120、140、160、180、200、220、240m處。

選取2016—2018年洪水期30次實(shí)測(cè)流量資料，挑選不同流量級(jí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制垂線平均流速分布曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，中低流量級(jí)下(1000m3/s以下)，各垂線平均流速的橫向分布曲線線形基本一致。高流量級(jí)下，起點(diǎn)距180、200、220、240m垂線平均流速的橫向分布曲線較穩(wěn)定，基本保持一致；起點(diǎn)距80、100、120、140、160m垂線平均流速的橫向分布曲線會(huì)出現(xiàn)交叉，不適合作為斷面的代表垂線。因此，選擇起點(diǎn)距180、200、220m處3條垂線(不同流量級(jí)下曲線線形基本一致)作為斷面垂線精簡(jiǎn)分析的代表垂線。

圖1 不同流量級(jí)斷面垂線平均流速的橫向分布曲線圖

代表垂線流速選取考慮單個(gè)垂線、兩組合垂線(2條垂線平均流速平均值)和3組合垂線(3條垂線平均流速平均值)3種情況進(jìn)行分析。利用EXCEL進(jìn)行擬線，顯示回歸方程式及R2，R2作為參考值進(jìn)行比較選擇，見(jiàn)表1。

表1 各組合垂線R2及回歸方程式統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)R2可知，序號(hào)1、4、5、7的相關(guān)關(guān)系較好，按規(guī)范要求對(duì)序號(hào)1、4、5、7關(guān)系曲線進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離系數(shù)檢驗(yàn)及精度評(píng)定分析，計(jì)算過(guò)程略，具體成果見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可以看出，序號(hào)1、2、4的隨機(jī)不確定度大于規(guī)范規(guī)定的8%(一類水文站)，不滿足要求；序號(hào)3的符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)、偏離系數(shù)檢驗(yàn)及精度評(píng)定均滿足規(guī)范的要求，可作為垂線精簡(jiǎn)的方案，分析結(jié)果科學(xué)、合理。

表2 關(guān)系線檢驗(yàn)及評(píng)定成果表

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用大興鎮(zhèn)水文站近3年30次實(shí)測(cè)流量資料，通過(guò)挑選不同流量級(jí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制垂線平均流速分布曲線選定代表流速垂線方案，利用EXCEL擬線中的R2作為參考值進(jìn)行方案優(yōu)選，可為其他有相似特性的水文站開(kāi)展流量測(cè)驗(yàn)精簡(jiǎn)工作提供借鑒。本次垂線精簡(jiǎn)分析工作中仍有少許不足，高洪期實(shí)測(cè)流量資料仍偏少，為確保流量資料的連續(xù)性，在運(yùn)用精簡(jiǎn)法測(cè)驗(yàn)的同時(shí)每年需開(kāi)展一定次數(shù)的常規(guī)測(cè)驗(yàn)，特別要注意高洪期流量資料的收集，用以驗(yàn)證和完善本次垂線精簡(jiǎn)分析的成果。