代表垂線法測流在臧格莊水文站汛期特殊情況下應用的展望

（山東省煙臺市水文局 煙臺 264001）

1 前言

1.1 流域概況

臧格莊水文站位于清洋河流域大沽夾河西支流，棲霞市臧家莊鎮臧家莊村，東經120°59＇，北緯37°28＇。流域形狀呈扇形，斷面以上流域面積458km2，干流長度30.5km，流域平均寬度15.0km。干流長度28.7km，干流平均坡度4.33‰。上游20公里處1961年1月建成庵里中型水庫一座，基本斷面以下約300m 有山東河匯入，下游約28km 有大型水庫門樓水庫。

臧格莊水文站流域降水年內分配不均勻，多年平均降雨量為667.6mm，年最大降水量為1177.7mm，年最小降水量為344.0mm，極值比3.4。臧格莊水文站的徑流主要由大氣降水補給，上游中型水庫庵里水庫流域面積較小，故該站徑流隨時間的變化過程十分復雜，尤其在汛期，但徑流變化特點與降水相似。臧格莊站多年平均徑流量為0.733 億m3，汛期6—9四個月平均徑流深占全年的80%。

該流域屬東亞季風區大陸性氣候，氣候溫和，四季分明。多年平均氣溫11.5℃，七、八月份最高，達38℃，最低溫度-17.3℃，年無霜期222 天，歷年最大凍土深0.5m，平均風速4.5m/s。多年平均蒸發量1186.5mm，4—6月達475.7mm，占全年蒸發量的40.1%。氣候特點是：春季常刮大風，多以西南風為主，空氣相對干燥；夏季麥收前后伴有冰暴災害天氣，汛期濕熱多雨且降水集中，時有臺風登陸，形成暴雨洪水；秋季天氣涼爽，風向較亂，個別年份甚至有連綿陰雨發生；冬季干冷、雨雪稀少，多北風或西北風。

流域內山丘區占80%，丘陵區占20%，土壤主要為砂壤土及壤土，其次為砂土，土壤透水性較好，植被覆蓋率達30%左右。斷面以上流域內20%為丘陵地，一般高程在50～200m 之間，無較大山峰，最高約在400 米左右。地勢呈西南高東北低之勢，平原多分布在中下游，為河谷沖積淤積平原。臧格莊水文站附近河道為山間河谷平原，由河流沖洪積物組成,巖性為砂礫石，顆粒上細下粗,厚度7～15m。庫岸斜坡由粉質粘土組成，周圍丘陵地帶基巖裸露，屬變質巖類，巖性為下元古代粉子山群大理巖、變粒巖及長石石英巖。臧格莊水文站屬于為膠東半島區域代表站，門樓水庫的入庫站，測驗精度三類站，亦為中央報汛站。

1.2 流量測驗方法

根據汛期測洪方案，下游橡膠壩未升壩且水位＜6.00m 時采用基下220m 作為測流斷面，水位≥6.00m 時使用水文纜道測流，流速用旋槳流速儀采用懸索懸吊方式一點法施測，水深用基本水尺斷面測量。目前臧格莊水文站流量測驗懸索位置常規為起點距30.0m、50.0m、70.0m、90.0m、110m、130m 六條測速垂線，高水位時增加起點距10.0m、150m、170m 三條測速垂線。

2 2017年汛期水情

2.1 雨情

2017年8月3 日0 時至8月5日8 時，受臺風“海棠”減弱后的低壓環流影響和冷暖空氣共同影響，清洋河流域出現一次強降水過程，如表1所示。

最大降雨主要集中在8月3日，五分鐘雨強較大的點有百佛院雨量站2mm/min，鄧格莊雨量站1.4mm/min。

2.2 來水情況

表1 臧格莊水文站流域內各雨量站降雨情況表（單位：mm）

受強降雨影響，清洋河流域形成超滲產流，河道內迎來一次較大洪水，臧格莊水文站實測流量如表2所示。

2.3 洪峰施測過程

施測時間2017年8月3日16時0分至16時40分(平均: 2017年8月3日16時20分)，開始水位6.75m，結束水位7.58m。對應水道斷面面積為303 m2、430 m2，水位變化引起的面積變化大于5%，改用加權平均法計算相應水位為7.26m。

2.4 存在問題及原因

2013年汛期結束后，清洋河未有明顯來水過程，今年首次來水漂浮物較多，流速儀入水后極易被水草等漂浮物纏繞，雖然在施測過程中采用縮短測點流速施測歷時、漂浮物間隙下降、上提鉛魚等措施，但仍然無法避免水草纏繞問題。每個測點流速施測前后，水文纜道行車需重新回到河堤，人工清除纏繞水草，直接導致施測過程歷時較長，從而使得水位變幅劇烈，一次測流起訖時間內，水位的漲落差大于平均水深的20%，測驗精度較低。

因此，若汛期第一次較大洪水發生且漂浮物較多時，其漲水過程的流量測驗應采用其他測流方法進行。

3 關系分析與檢驗

3.1 中泓浮標法與代表垂線法比較

河流流量測驗規范規定：當洪水漲落急劇，洪峰歷時短暫，不能用均勻浮標法測流時可用中泓浮標法測流。用中泓浮標法測流，應在中泓部位投放3～5 個浮標，浮標位置臨近，運行正常，最長和最短運行歷時之差不超過最短歷時10%的浮標應有2～3 個。中泓浮標法測流除測流速度快、易操作等優點之外，需合理確定中泓浮標系數，準確是關鍵，它決定了流量測驗的精度。確定浮標系數的實驗一般為中泓浮標與流速儀法同時測速的實驗比測法，以確定中泓浮標系數。

測流斷面代表垂線法可縮短單次測流過程歷時，控制水位急劇上漲以及峰谷轉折點等情況下流量測驗的精度。相比中泓浮標法在流速施測的可靠性及可操作性更強，且根據本站現有的流量測驗手段即可滿足。綜合比較，中泓浮標法需要確定基線長度、制作浮標、實驗確定浮標系數，而流速代表垂線法則簡便易行，并較為可靠，應選為特殊情況下的替代方案。

表2 臧格莊水文站實測流量情況表

圖1 臧格莊水文站30.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖2 臧格莊水文站50.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖3 臧格莊水文站70.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖4 臧格莊水文站90.0m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖5 臧格莊水文站110m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

圖6 臧格莊水文站130m 垂線平均流速與斷面平均流速關系圖

3.2 代表垂線的分析確定

根據臧格莊水文站近年來水位在6.00m 以上基本水尺斷面使用纜道測流的50 次流量測驗記錄。選取起點距30.0m、50.0m、70.0m、90.0m、110m、130m六條垂線的垂線平均流速與斷面平均流速相比較，得出110.0m 垂線平均流速的線性相關性最好，相關系數為0.95，二者密切相關（見圖1～6）。

3.3 三種檢驗

3.3.1 符號檢驗

K=24，n=50，計算得u=0.141。

當給定顯著水平α=0.25 時，u1-α/2=1.15，

u ＜u1-α/2，接受假設。

3.3.2 適線檢驗

K=24，n=50，計算得u=0。

當給定顯著水平α=0.10 時，u1-α=1.28，

u ＜u1-α，接受假設。

3.3.3 偏離數值檢驗

當給定顯著水平α=0.10 時，t1-α/2=1.67，t ＜t1-α/2，接受假設。

3.4 適用范圍及使用方法

根據上述檢驗確定代表垂線法公式為：

V斷=（V110＋0.0341）/1.166

V斷—斷面平均流速

V110—代表垂線平均流速

流速范圍0.8～2 m/s，當代表垂線平均流速不在此區間內不適用該公式簡化計算。

圖7 臧格莊水文站2017年基本水尺斷面大斷面圖

根據實測大斷面成果以及水位計算相應過水斷面面積，二者相乘即可得臧格莊水文站單次流量測驗數據。臧格莊水文站2017年大斷面圖如圖7所示。

4 結語

采用代表垂線法施測斷面平均流速，可將簡測法的多條測速垂線再次簡化至1 條，故施測流量過程所用的時間可以大大縮短，既可以完成流速的測定，又減小了因水位暴漲而增加的過水斷面面積誤差，保證了搶測洪峰流量過程的測驗時機，同時可以節省人力，減輕勞動強度，在測站有大量漂浮物時確保了流量測驗精度，強化了時效性