單值化處理匹里青水文站水位流量關系的方法探析

關麗娜

(伊犁水文勘測局，新疆伊寧835000)

1 水文站概況

匹里青水文站位于新疆伊犁州直伊寧縣喀拉亞尕奇鄉喀拉亞尕奇村，距離伊寧市33 km。設立于1956年，擔負著監測、收集水文資料的工作。該站測驗河段基本水尺斷面兩岸為峽谷，河槽底部由礫石組成，呈矩形河槽，測流斷面在峽谷上游20 m處，呈U型河槽，兩岸由粘土及卵石組成，河槽由礫石組成，植被較差，沖淤變化較大，中高水時，測流斷面有壅水現象，基本水尺斷面峽谷處水流湍急，主流在峽谷以上擺動不定，因此其水位流量關系也一直比較復雜，在斷面整治以前，測站每年流量測驗任務繁重，耗費大量人力及物力，且資料質量不高，年評審資料往往為良或中等。

圖1為匹里青水文站水位斷面人工堰建設前2011年實測的水位流量關系，水位關系線達到20多條，說明測驗斷面極不穩定，關系散亂。根據《水文資料整編規范》，匹里青水文站屬于水位流量關系復雜的非單一線水文站，應通過比降、落差等水力因素進行其水位斷面單值化整治和水位流量關系矯正，實現水位流量單值化。

圖1 匹里青水文站改建前水位-流量關系

2 單值化處理匹里青水文站水位流量關系

2.1 處理措施

在中小河流項目開展前，為解決匹里青站水位流量單值化問題，伊犁局做了大量的試驗工作，2008年在將原測流斷面下遷后，將水位自記斷面放置在峽谷出山口處，并且在峽谷段內投放三角混凝土墩，以期人工改變水力因素，低水期效果還好，但是在洪水期，洪水沖刷投放物后效果就不理想，在試運行2年后放棄；后又將自記水位計安置在峽谷中段，直至運行至2013年底，效果依舊不理想；2013年中小河流項目建設開始，伊犁局對此高度重視，主要領導多次到匹里青站實地調研，召集各相關部門，對建設中存在的問題，提出解決方案和措施，經過多方位研究，確定將水位斷面上遷至測流斷面上游近126 m處，該位置上斷面兩邊為山體基巖，且斷面寬度較小水流集中，不易沖淤，處理方式為在橫斷面上用混凝土現澆人工堰，并且在中間部分留有集水槽，在槽內安裝鋼板水尺，低水時水流集中在槽內，左岸邊安裝自記水位計，水位計探頭伸至槽上方，這樣既解決了高水期自記也解決了低水自記問題，且兩岸采用鉛絲籠護岸處理，該水位斷面人工堰建設在2013年11月完成，2014年投入使用，經過2014年與2015年度的使用情況來看，效果非常樂觀，其水位流量單值化作用很明顯，在減輕人力物力的前提下，資料質量及精度有了大幅度的提高。

從圖2中可以確定，匹里青站水位斷面單值化整治是成功的，在2015年6月匹里青發生有實測資料以來最大洪水期間，測流堰主體及兩岸護岸設施經受了考驗，改建項目工程在大洪水期間發揮了搶測洪峰方便、測量精度高的要求，項目建成后運行效益顯著。

圖2 匹里青水文站改建后水位～流量關系

2.2 匹里青水文站改建后水位流量單值化分析

2.2.1 資料選用

為進行匹里青水文站改建后水位流量單值化分析，選用最近的2014年～2019年共6 a的連續資料序列，按照自治區水利廳所批復的水位級劃分標準，匹里青水文站水位低于83.4 m為低水位級，水位在83.4 m～86.5 m之間為中水位級，水位高出86.5 m為高水位級。根據《水文巡測規范》，巡測水文站測流誤差資料必須為連續7 a以上的資料系列，并應包括低中高水年水情資料，不同水位級數據樣本至少30個。匹里青水文站2014年～2019年實測水位流量資料系列中最高水位為2015年的86.35 m，最低水位為2019年的79.81 m，最高水位并未達到規范規定的該測站高水位級，通過分析該水文站建站以來水文資料，只有1971年、1979年、1998年等為數不多的年份最高水位達到高水位級，可見，匹里青水文站進行水位流量單值化分析所選用水文資料在客觀上難以滿足規范標準。為此，只能選用測站2014年～2019年實測水位流量資料，并在2020年以后出現高水位級數據再重新進行分析。本文對匹里青水文站水位流量關系單值化處理的方法已獲自治區水文水資源局審查通過。

2.2.2 單值化處理程序

水位流量關系單值化處理首先應當按照相關規范收集水文測站水位流量數據資料，在進行資料可靠性、代表性和合理性分析的基礎上，按低中高水位級進行單值化分析。中高水位級應根據水位流量關系點據進行關系線誤差與相對隨機不確定度分析，并進行測次精簡前后分析定線誤差。低枯水位級應分析測次精簡前后時段年總量W年和低枯水總量W枯的誤差。考慮到匹里青水文站1956年建站以來，實測水位流量資料系列中只有1971年、1979年、1998年等為數不多的年份最高水位達到高水位級，而且2014年～2019年實測水位流量資料系列中最高水位為2015年的86.35 m，并未達到規范規定的該測站高水位級，所以單值化處理不考慮高水位級情況。

2.2.3 中水位級定線誤差

《水文巡測規范》規定，水位流量關系點據密集，呈帶狀分布且無明顯偏離，二類精度測站中水位級實測關系點據與關系線相對隨機不確定度小于10%，低水位級不確定度小于12%，應采用單一線法定線單值化處理[1]。匹里青水文站歷年水位流量關系線通過符號、適線、偏離數值三種檢驗，各項誤差均控制在《水文資料整編規范》所規定的定線精度要求范圍內。以2014年～2019年共6 a的水位流量連續資料序列進行歷年水位流量關系線定線可以看出，中水以上單一性良好，而低水以下部分表現為兩個系列。具體分析結果見表1。

表1 匹里青水文站單一線法定線分析結果

通過表1分析結果可以看出，匹里青水文站2014年～2019年綜合水位流量關系線及2016年～2019、2014年～2019中水位級水位流量關系線定線誤差和實測關系點據與關系線的相對隨機不確定性完全符合《水文巡測規范》對二類精度水文站定線系統誤差的規定，所以匹里青水文站中水位級水位流量關系可定單一線。

表1 大斷面測次控制

2.2.4 低枯水期定線誤差

按照《水文巡測規范》對二類精度測站低水位級實測關系點據與關系線相對隨機不確定度誤差的規定，根據低水位級水位流量單值化前后關系線推流的低水位枯水總量相對誤差符合規范標準，則可定單一線[1]。在年水文資料整編數據庫內錄入匹里青水文站2014年～2019年單值化后的水位流量關系線節點，并用單值化處理的水位流量關系線替代原關系線，重新整編所在年水位流量資料，可根據單值化處理后水位流量關系線推流逐日平均流量數據表中的年總量W年和低枯水總量W枯，并根據《水文資料整編規范》低枯水期誤差指標允許值按趨勢延長估算[2]得出中低枯水總量相對誤差允許值，所確定出的W年相對誤差和W枯相對誤差符合規范要求，具體見表2。

表2 低枯水期定線誤差分析結果

通過以上分析可知，匹里青水文站2014年～2019年單值化前后水位流量關系所推測的W年相對誤差和W枯相對誤差均符合規范規定，所以低枯水期應定單一線，見圖3。

圖3 匹里青水文站低枯水期單一線圖

3 結論

匹里青水文站作為伊犁河干流北山區中小河流區域代表站，自1956年建站以來收集了近60 a的水文資料，由于測驗斷面河床沖淤變化頻繁、河道主流擺動較大，造成水文測驗困難、水位流量關系散亂，資料精度降低。在中小河流一期建設當中，為從根本上解決該站測驗上存在的問題，經多方研究論證后對原批準的建設項目進行變更，采用修建測驗河段護岸、斷面整治、人工堰等工程建設形式，解決了水位流量單值化問題，通過項目的實施完成和運行結果來看，項目建設目標基本達到，運行效果顯著。