臧格莊水文站枯水期流量測驗精度探討

（山東省煙臺市水文局 煙臺 264001）

1 概況

臧格莊水文站位于清洋河流域系大沽夾河西支流，山東省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，流域長度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20km 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有門樓水庫水文站。

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。

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，徑流變化特點與降水相似。汛期6—9 四個月多年平均徑流深占全年的80%。從嚴格意義上來說，臧格莊水文站當上游未發生有效降雨或水庫放水時，河道年際分布均處于枯水段。

2 枯季流量測驗發現的問題

取2018年臧格莊水文站枯水期部分實測流量資料進行分析（見表1），發現18 號測次水位與1 號測次水位相同，但實測流量較1 號測次增加了33%，分析兩次流量測驗過程可知，兩次流量測驗均在基下250m 處涉水施測，平均水深及斷面面積等要素未發生變化，由于處于冬季枯水期，河道無沖於、水生植物、結冰、人類活動等導致河道變化的原因，發現斷面平均流速增大了33%，得到了流量變大的主要原因。其他要素未發生變化，而斷面平均流速發生變化，需進一步進行分析。

增加14、17 測次與1、18 測次進行共同比對分析，繪制水位流量關系線如圖1所示。根據臧格莊站實測流量成果表，14—16 測次屬于平水段，17、18 測次屬于落水段，故17 測次水位應大于18 測次水位，這從兩次流量數據可以佐證。但17 測次與之前穩定流的5.13m 水位時流量相差較大（20%），故17 測次水位應大于5.12m 但未到達5.13m，暫記為5.127m；18 測次水位應大于5.12m 但小于5.127m，暫記為5.123m，繪制水位流量關系線如圖2所示（此處應具體分析，臧格莊水文站P3 水尺零點為4.000m，若水尺零點毫米位不為零，應按照原水位取舍后再加水尺讀數得到調整水位）。

表1 臧格莊水文站枯水期部分實測流量特征值表

將17、18 測次水位變化后，趨勢線由圖1變為圖2，可見線性更加符合實際情況并且相關性較高。進一步調整17、18 測次水位毫米位，得到圖3。

可見，當17 測次水位記為5.126m，18 測次水位記為5.124m 時，水位與流量完全相關，在無其他條件影響下較為符合實際情況。由圖1至圖3的變化過程不難看出，水位的取舍值在枯季測流過程中對流量數據合理性檢驗起到了一定的作用。

以臧格莊水文站多年定線的經驗來年，中高水為單一線，符合定線要求，低水由于水位流量關系差而采用連實測過程線，流量施測頻次為3～5 天。通過上文分析幾個測次的實測數據不難發現，存在水位精讀不夠而導致的誤差，在進行水位精讀的調整后可以提高水位、流量的相關性。

3 各要素對測驗精度的影響

3.1 水位

由于水位讀數采用的水尺牌為厘米級，精讀厘米，估讀毫米，所以在實際水位觀讀時容易出現讀數精讀偏差。像調整后的1.126 實際讀數為1.13，1.124 讀數為1.12，實際讀數雖然符合水位觀測規范，卻在實際定線過程中產生相關性不高而采用的連實測定線方法，使得測站的工作量加大。

臧格莊水文站基本斷面下游220m有攔河閘一處，攔蓄水量，加之清洋河河道多年無較大洪水，致使河道內蘆葦叢生，斷面死水面積較大。根據2018年實測大斷面資料，水位5.12m 時，基本斷面面積為102.67m2，水位5.13m 時為103.88m2（為進行數據分析，故未按要求進行有效位數的保留），二者相差1.21 m2。這部分基本斷面的面積偏差既可以表現在下游臨時測流斷面的水深上，也可以表現在流速上。

圖1 水位流量關系線1 圖

圖2 水位流量關系線2 圖

水位是繪制水位流量關系曲線的主要數據，所以測流時的水尺觀測精度對計算水位非常重要，應盡可能在水尺牌讀數位于整厘米數時實測流量。

3.2 水深

枯季臧格莊水文站河道由于攔水閘、水草等因素影響，導致基本斷面死水面積大，不具備測流條件。在下游涉水施測流量，同水位觀測情況相同，測深桿刻度同樣為1cm，在有水流時更易出現水深測量的讀數精讀偏差。根據某實測流量成果，若當次測深垂線水深測量值較實際值均偏大1cm 時，相對于斷面原流量數據偏大3.3%。

3.3 測點定位

枯水期河道水深、流速較小，進行測速垂線測點定位時應更加注意測點位置準確，這會對流量的測驗精度產生較大影響。

天然河道暢流期常見的垂線測點流速v 分布曲線示意圖如圖4所示。

圖4中水深為相對水深，即各點的水深h 歸一化成點位水深h 與總水深H 的比值。

一般情況下，暢流期時垂線水面流速最大，河底附近流速為零，總體垂線流速分布呈一定形狀的曲線。影響流速曲線形狀的因素有很多，致使垂線流速分布曲線的形狀多種多樣。人們總是努力用曲線函數近似描述垂線的流速分布，本例采用橢圓流速分布曲線。測流垂線上的流速分布用橢圓流速分布表示為：

表2 橢圓流速分布公式計算的測點流速表

圖3 水位流量關系線3 圖

圖4 水面無阻暢流流速沿垂線分布圖

式中：v0—水面流速（η=0），m/s；

P—流速分布參數，取P=0.6，相當于謝才系數C=40～60；

η—由水面向下起算的相對水深；

v—相對于水深為時的點流速，m/s。

按式1 計算的幾個常用相對水深處的測點流速值見表2。

由式1 按積分法計算垂線平均流速：

水文最常采用的計算垂線平均流速的方法為兩點法與一點法，其計算結果vm=0.887（兩點法，相對水深0.2、0.8）；vm或=0.885（一點法，相對水深0.6）。由此可見通常采用的計算垂線平均流速的方法計算數值與積分法計算數值相近，說明流速沿豎向分布對測速點位置的選擇有很大實用價值。由于測點位置的差別對于垂線平均流速的影響也是存在的，且測點流速定位誤差受水深誤差的綜合影響。

若實際測速垂線水深為0.30m 時，相對水深0.6m時為測點定位在0.18m，若精度不高定位在0.17m 時，實際相對水深為0.57m，則測點流速差距為0.897，與相對0.6m 水深誤差達14%，且測流斷面水深越小誤差越大。

3.4 起點距

由于臨時斷面沒有標準的起點距刻畫，在實際工作中大多為人工丈量起點距，該方法受角度誤差與垂線間距離誤差共同作用，若各測深垂線丈量出現0.05m 誤差，則流量數據偏差達到5.6%，當斷面與河流流向不垂直，夾角為85°時，誤差將增大8.7%。

4 結語

對枯水期水位漲落較小的測站來說，測時水位、水深、測點位置、測深垂線水深等因素均能導致該次流量偏離值較大，影響到標準差計算，這種情況就是當河道水文站水位變化較小，但是流量卻相差較大的主要原因，這種誤差在水文站是經常出現并且會影響枯水期測驗精度進而影響的水位流量關系曲線定線問題，應該引起重視■