庫魯克欄干水文站中泓浮標(biāo)系數(shù)分析

吾守爾·吾布里

（新疆維吾爾自治區(qū)喀什水文勘測局,新疆 喀什 844000）

0 引言

庫魯克欄干水文站是葉爾羌河上游干流控制站，1992 年下遷1.5 km至新斷面，該站采用鋼板直立式水尺觀測水位，流速儀測速，在大水時采用中泓浮標(biāo)測流。庫魯克欄干水文站在原站址沒有浮標(biāo)系數(shù)，下遷后進(jìn)行了試驗(yàn)分析，確定中泓浮標(biāo)系數(shù)為0.62。浮標(biāo)測流系數(shù)的確定與河床組成、斷面情形、風(fēng)向風(fēng)速和浮標(biāo)材質(zhì)等有著密切關(guān)系，其取值直接影響到流量計(jì)算的精度和水文資料的準(zhǔn)確性。為了保證庫魯克欄干水文站的測驗(yàn)精度，以便及時發(fā)現(xiàn)浮標(biāo)系數(shù)是否發(fā)生變動，需對遷站后的浮標(biāo)系數(shù)進(jìn)行復(fù)核，以判定其是否有變化，為測驗(yàn)提供可靠依據(jù)。

1 流域及水文站概況

葉爾羌河是新疆的第三大河，主要支流有克勒青河、塔什庫爾干河、提孜那甫河三條，是冰雪補(bǔ)給為主降雨補(bǔ)給為輔的河流。全長1165 km，流域總面積9.89 萬km2，最大年徑流量為95.53×108m3，整個流域地貌南高北低。庫魯克欄干水文站位于塔什庫爾干縣大同鄉(xiāng)庫魯克欄干村，于1959 年6 月22 日設(shè)立，是葉爾羌河上游干流控制站，下游約17 km處有支流匯入，距下游卡群站約112 km，地理坐標(biāo)：東經(jīng)76°13′，北緯37°44′，測站以上河長416 km，集水面積32880 km2。該站基本斷面于1990 年下遷1.2 km至新斷面。觀測項(xiàng)目有：水位、流量、懸移質(zhì)輸沙率、降水量、蒸發(fā)量、氣溫、水溫、目測冰情、固定點(diǎn)冰厚。距下游卡群站約110 km。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

葉爾羌河上游為高山狹谷，河道底坡較大，洪水由受高空氣溫影響冰川垮塌形成堰塞湖導(dǎo)致的潰壩性和冰川洪水形成。當(dāng)形成堰塞湖或冰川融水時，會迅速形成較大洪水，且洪峰流速大，歷時長，超出儀器設(shè)備測流能力，洪峰時河道漂浮物較多，流速儀施測流量難度較大，且不安全。

庫魯克欄干水文站測驗(yàn)河段岸較順直，水流集中。最大洪水時，水面寬達(dá)150 m，一般洪水水面寬度也在80 m以上，測驗(yàn)河段左岸為山體巖石，右岸和河槽系砂礫石組成。該站測驗(yàn)河段控制條件良好，多年水位流量關(guān)系呈現(xiàn)單一線趨勢。為保證水文測驗(yàn)精度，特別是大洪水浮標(biāo)法測流的精度，需對浮標(biāo)系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)校核。

3 試驗(yàn)方法選定

根據(jù)庫魯克欄干水文站遷到新址的18 年水文資料，對高中低位（流量）進(jìn)行劃分：流量Q≥800 m3/s以上為大水；800 m3/s>Q≥100 m3/s為中水；Q<100 m3/s為小水。中泓浮標(biāo)試驗(yàn)方法有比測試驗(yàn)法、水位流量關(guān)系曲線分析法和采用水面流速系數(shù)的試驗(yàn)資料間接確定浮法系數(shù)3 種方式。根據(jù)庫魯克欄干水文站的實(shí)際情況，此次中泓浮標(biāo)系數(shù)復(fù)核采用比測試驗(yàn)法，在中、高水進(jìn)行。每次先用流速儀測得實(shí)測流量，然后在斷面上投放中泓浮標(biāo)，按照流量測驗(yàn)規(guī)范要求，測得中泓浮標(biāo)流量。為了確保流量測驗(yàn)準(zhǔn)確性，在該站的不同水位級、不同風(fēng)速氣象條件下與常規(guī)流速儀進(jìn)行了多次中泓浮標(biāo)系數(shù)比測試驗(yàn)。本試驗(yàn)共進(jìn)行了13 次，其中高水10 次。

4 中泓浮標(biāo)系數(shù)試驗(yàn)影響分析

中泓浮標(biāo)法測流是在大洪水高水位流速儀施測十分困難條件下的測流方法，一般要求測驗(yàn)河段中泓位置較為穩(wěn)定，中泓流速比較集中的河流。庫魯克欄干水文站遷站前后的水文資料具有一致性，所設(shè)浮標(biāo)中斷面與測流斷面重合，上斷面位于上比降水尺斷面，下斷面位于下比降水尺斷面，上下浮標(biāo)斷面間距120 m，水面寬約50 m，區(qū)間河段順直，無支流匯入，無死水現(xiàn)象，也無向流域外的引水，視線條件好，符合滿足浮標(biāo)法測流條件。測驗(yàn)河段左岸由巖石組成，右岸和河床由卵石及砂礫石組成，河勢穩(wěn)定，符合中泓測流條件。根據(jù)中泓浮標(biāo)測流原理，盡量避免河床變化、風(fēng)速對測流的影響。

4.1 河床影響

庫魯克欄干水文站測驗(yàn)斷面河較寬，平均水深相對較小，屬寬淺河道。河段內(nèi)無巨石和亂流、旋渦等，水流集中，主流在中弘。所以在試驗(yàn)時，要選用中泓主流，避免河床造成的影響，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有代表性。

4.2 風(fēng)速風(fēng)向影響

為了避免風(fēng)速、風(fēng)向?qū)y驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，試驗(yàn)選擇晴朗天氣，避開風(fēng)速影響。在水流向上，選擇中泓主流，使其具有代表性。

4.3 浮標(biāo)影響

《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定：水面浮標(biāo)入水部分，表面應(yīng)較粗糙，不成流線型[1]。根據(jù)庫魯克欄干水文站大水時流速大的特點(diǎn)。用手工制作的木質(zhì)十字架作為浮標(biāo)，浮標(biāo)上面用線掛氣球避免看不見浮標(biāo)，投放方法是人工拋擲。測流時，一次投放3～5 個浮標(biāo)。為了避免由于浮標(biāo)入水深度不一致帶來的誤差，在制作浮標(biāo)時爭取每一個浮標(biāo)重量均衡，大小一致，盡力減小誤差。

4.4 試驗(yàn)要求

當(dāng)葉爾羌河出現(xiàn)大洪水時，攜帶柴草等漂浮物較多，加之河面較寬，峰高浪大，水流湍急，對浮標(biāo)測驗(yàn)造成巨大影響，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響較大，因此浮標(biāo)系數(shù)的比測試驗(yàn)應(yīng)選擇在多種水流條件下進(jìn)行。在測驗(yàn)設(shè)備流速儀、秒表等儀器的準(zhǔn)備上，要求準(zhǔn)確，精度高。

5 比測數(shù)據(jù)分析及系數(shù)確定

5.1 資料整理

根據(jù)《水文測驗(yàn)實(shí)用手冊》[2]規(guī)定,進(jìn)行校測。選擇浮標(biāo)位置臨近，運(yùn)行正常，最長和最短運(yùn)行歷時之差不超過最短歷時10%的浮標(biāo)2 個，作為計(jì)算中泓垂線虛流量依據(jù)。校測的試驗(yàn)次數(shù)要大于10 次，當(dāng)原采用的浮標(biāo)系數(shù)與校測樣本有顯著性差異時，應(yīng)重新進(jìn)行浮標(biāo)系數(shù)試驗(yàn)，并采用新的浮標(biāo)系數(shù)。

經(jīng)過校測，獲得比測資料13 份，浮標(biāo)最大水面流速7.0 m/s，最小0.5 m/s；流速儀測出的斷面平均流速最大4.60 m/s，最小0.30 m/s。兩組數(shù)據(jù)相差在誤差范圍內(nèi)，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，它們都有一個比較接近的系數(shù)，說明比測數(shù)據(jù)的兩個流速系數(shù)具有一定的規(guī)律和關(guān)系，可用于中泓系數(shù)的分析。

5.2 浮標(biāo)系數(shù)計(jì)算

浮標(biāo)系數(shù)計(jì)算采用公式：

式中：V斷為實(shí)測流速,m/s；V虛為虛測流速,m/s；Kf為中泓浮標(biāo)系數(shù)[3]。

根據(jù)比測數(shù)據(jù)繪制斷面平均流速與虛流速關(guān)系曲線。繪制中，以斷面平均流速為縱坐標(biāo)，以浮標(biāo)虛流速為橫坐標(biāo)，建立關(guān)系曲線（見圖1），其相關(guān)系數(shù)為R2=0.995，相關(guān)關(guān)系較好，無明顯偏差，關(guān)系曲線斜率K=0.630。

圖1 庫魯克欄干水文站實(shí)測平均流速與浮標(biāo)虛流速相關(guān)關(guān)系圖

復(fù)核出的庫魯克欄干水文站浮標(biāo)系數(shù)為0.63，與原浮標(biāo)系數(shù)0.62 相差0.01，在誤差范圍內(nèi)，因此可以說，該站浮標(biāo)系數(shù)經(jīng)過17 年的運(yùn)行，河床等各方面情況變化不大，原浮標(biāo)系數(shù)仍適用。

6 結(jié)語

本次試驗(yàn)沒有考慮空氣阻力即風(fēng)對浮標(biāo)系數(shù)產(chǎn)生的誤差影響。從比測結(jié)果看出，比測的中泓浮標(biāo)系數(shù)平均值為0.63，與17 年來的中泓浮標(biāo)系數(shù)0.62 相比，誤差較小，具有一定的精度和可靠性。在大洪水時，可以作為庫魯克欄干水文站中泓浮標(biāo)流量測驗(yàn)的浮標(biāo)系數(shù)。實(shí)測流量和中泓浮標(biāo)虛流量兩者相關(guān)關(guān)系較好，在高水時，可順關(guān)系曲線趨勢外延20%查用確定流量。