庫魯克欄桿水文站水面流速系數(shù)率定方法及影響因素分析

李志峰

(新疆喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000)

庫魯克欄桿水文站位于葉爾羌河的上游，克勒青河、塔什庫爾干河、提孜那甫河是新疆第三大河葉爾羌河的主要支流[1]。葉爾羌河流域面積為9.89萬 km2，河流總長度為1 165 km。庫魯克欄桿水文站在1992年向下游進(jìn)行斷面遷移，遷移距離為1.5 km[2]。按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》(GB50179-2015)要求，斷面進(jìn)行遷移后需要對水面流速系數(shù)進(jìn)行率定，從而滿足水文測驗(yàn)的精度要求[3]。葉爾羌河上游河道坡度較大，洪水主要由冰川潰壩和冰川洪水組成，當(dāng)冰川融雪洪水產(chǎn)生時，流域洪水上漲速率較快[4]。當(dāng)超過測流能力尤其是河道漂浮物較多的情況下，需要對流速系數(shù)進(jìn)行率定，滿足高洪測驗(yàn)的精度要求[5]。對于流速系數(shù)率定主要為經(jīng)驗(yàn)方法和公式法兩種[6]。目前，通過研究對比觀測試驗(yàn)即經(jīng)驗(yàn)法是較為行之有效的流速系數(shù)率定方法。因此本文通過對比觀測試驗(yàn)，對庫魯克欄桿水文站流速系數(shù)進(jìn)行率定，用于中高水時該站點(diǎn)中泓浮標(biāo)測驗(yàn)。

1 庫魯克欄桿水文站概況

庫魯克欄桿為葉爾羌河上游干流主要控制水文站，為國家基本水文站，其地理位置為東經(jīng)76°13′以及北緯37°14′，庫魯克欄桿設(shè)站年份為1959年6月，和下游卡群站之間的距離為112 km，水文站以上集水面積為32 280 km2。庫魯克欄桿水文站由于測驗(yàn)進(jìn)行了站點(diǎn)遷移，新的水文測驗(yàn)斷面距離上游原有斷面1.5 km。水文站常規(guī)測驗(yàn)項(xiàng)目為流量、泥沙、降水量、冰情以及水溫觀測。庫魯克欄桿水文站年最大降水量出現(xiàn)在1998年，降水量為178 mm,降水量最小值出現(xiàn)在1961年，為48.3 mm，降水時空分布十分不均勻，夏季降水占比全年降水量約為37.5%～63.1%之間。徑流年內(nèi)分布差異度較大，水量主要集中在6-8月份，占全年的比重高達(dá)80%以上，葉爾羌河屬于典型冰川徑流補(bǔ)給性河流。庫魯克欄桿水文站測驗(yàn)河段。

2 試驗(yàn)方法及要求

2.1 試驗(yàn)要求

(1)進(jìn)行流速系數(shù)的率定主要通過比測試驗(yàn)進(jìn)行，由于中高水時洪水流速較大且有較大的波浪，水流攜帶的漂浮物也較多，對測流影響較大，因此在進(jìn)行比測試驗(yàn)時需要進(jìn)行多種水流條件的分析。在進(jìn)行比測試驗(yàn)時流速儀和秒表要進(jìn)行校正和檢驗(yàn)后使用，要滿足測流精度的要求。

(2)浮標(biāo)的中斷面需要與流速儀測流斷面重合，水文站常測位置和測速垂線的位置要保持一致，在進(jìn)行高水對比觀測時，可以適當(dāng)增加測速垂線以滿足精度要求。

(3)基本水尺水位要在測流起始進(jìn)行分別讀取，若水位的峰值和谷值跨過測流時間時，則需要各觀測水位一次在水位峰頂和峰谷時，從而水位測定的準(zhǔn)確性可得到有效保證。庫魯克欄桿水文站水面較寬，測驗(yàn)斷面水面寬度約為50 m，水深均值相對較小，河流水流較為集中，中泓為其主流，因此在對比觀測試驗(yàn)時，應(yīng)以中泓作為其主要水流進(jìn)行試驗(yàn)，從而確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性。

(4)需要對風(fēng)向、風(fēng)速、水流流向、漂浮物以及測驗(yàn)斷面上下游水流情況進(jìn)行記錄，以分析不同試驗(yàn)條件對流速系數(shù)率定精度的影響。一般為避免風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ρ扔^測試驗(yàn)的影響，盡量在晴好天氣進(jìn)行試驗(yàn)，降低風(fēng)速和風(fēng)向?qū)α魉俾识ǖ挠绊?。選擇中弘主流作為水流流向，保證其試驗(yàn)數(shù)據(jù)的代表性。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)由于庫魯克欄桿在中高水時候表面流速較大，且出現(xiàn)大洪水時候上游水流攜帶的漂浮物較多，此外由于庫魯克欄桿水文站測驗(yàn)斷面水面寬度較大，水流較急，對比測試驗(yàn)投放浮標(biāo)的影響程度較大，試驗(yàn)浮標(biāo)采用木制十字架進(jìn)行制作，并在浮標(biāo)上懸掛氣球以免浮標(biāo)不能被正常觀測，在試驗(yàn)時采用人工投擲方式進(jìn)行浮標(biāo)的投放，每個浮標(biāo)投放的間距保持在10 m范圍內(nèi)，每次對比觀測試驗(yàn)選用浮標(biāo)數(shù)為3～5個，為降低浮標(biāo)水深的影響誤差，在浮標(biāo)制作時盡量保證每個浮標(biāo)具有均衡的重量，從而降低浮標(biāo)重量影響誤差。

(2)安排1個人專門負(fù)責(zé)浮標(biāo)的投放，上下游斷面各有1人負(fù)責(zé)浮標(biāo)達(dá)到后的時間記錄，中斷面安排1人對水位進(jìn)行觀測，另外安排一個人負(fù)責(zé)記錄浮標(biāo)通過中間斷面的起點(diǎn)距和浮標(biāo)經(jīng)歷時間。

(3)每此浮標(biāo)試驗(yàn)時間可以精確到0.1 s，每個浮標(biāo)投放的間距可以精確到0.1 m，對水深和起點(diǎn)距一般進(jìn)行實(shí)測，若水深實(shí)測較為困難，斷面面積可采用相鄰測次水深進(jìn)行借用。

2.3 流速系數(shù)率定計(jì)算方法

選擇運(yùn)行時間最長和最短2～3個浮標(biāo)，各浮標(biāo)之間的時間差低于10%，作為最大水面流速的計(jì)算依據(jù)。首先對投放浮標(biāo)進(jìn)行流速計(jì)算，在最大水面流速(平均虛流速)進(jìn)行計(jì)算。斷面流量采用流速儀測定的垂線流速和纜道計(jì)算的斷面水深，將斷面計(jì)算流量和斷面面積相除可以得到測驗(yàn)斷面的平均流速，流速率定系數(shù)的計(jì)算方程為：

K=V平均/V浮標(biāo)

(1)

方程中K表示為流速率定系數(shù)；V平均為采用流速儀進(jìn)行測驗(yàn)的斷面平均流速(m/s)；V浮標(biāo)為采用浮標(biāo)最大水面流速(m/s)。

3 庫魯克欄桿站比測試驗(yàn)

3.1 比測數(shù)據(jù)情況

從 6月中旬到8月下旬進(jìn)行對比觀測試驗(yàn)，各觀測試驗(yàn)15組數(shù)據(jù)， 按照流量高于800 m3/s作為高水流量，流量在100～800 m3/s作為中水流量，流量低于100 m3/s作為低水流量，基于以上流量的劃分，在相對應(yīng)的高、中水進(jìn)行比測。通過比測分析，見表1，庫魯克欄桿水文站最大浮標(biāo)水面流速為7.2 m/s，水面流速最小值為0.6 m/s，采用流速儀進(jìn)行測驗(yàn)的斷面平均流速最大值為4.8 m/s，測驗(yàn)的斷面平均流速最小值為0.4 m/s。并對不同比測測次的斷面平均流速和浮標(biāo)最大水面流速進(jìn)行相關(guān)性分析，見圖1。

表1 庫魯克欄桿比測試驗(yàn)流速系數(shù)率定結(jié)果

圖1 庫魯克欄桿水文站比測流速相關(guān)關(guān)系

從比測流速系數(shù)分析結(jié)果可看出，各試驗(yàn)測次數(shù)據(jù)均在誤差范圍內(nèi)，通過對比可看出，各比測測次下流速率定系數(shù)都由一個較為接近的系數(shù)值，表明不同比測試驗(yàn)數(shù)據(jù)中流速率定系數(shù)具有一定的相關(guān)性和規(guī)律性，可用于庫魯克欄桿水文站中泓流速系數(shù)率定值。通過取各組流速系數(shù)率定均值，庫魯克欄桿水文站中泓流速系數(shù)率定值為0.62。從流速相關(guān)關(guān)系可看出，比測流速之間的相關(guān)系數(shù)為0.989 6，表明庫魯克欄桿水文站斷面平均流速和浮標(biāo)水面流速具有較好的相關(guān)性，且整個相關(guān)線沒有出現(xiàn)明顯的偏差。通過對相關(guān)線斜率可看出，相關(guān)方程斜率為0.62。

3.2 誤差檢驗(yàn)分析結(jié)果

按照河流流量測驗(yàn)規(guī)范(GB50179-2015)要求，對庫魯克欄桿水文站進(jìn)行流速率定系數(shù)相關(guān)曲線進(jìn)行誤差檢驗(yàn)分析，從而分析流速率定系數(shù)的相關(guān)曲線是否可滿足水文站測驗(yàn)精度要求，誤差檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 庫魯克欄桿水文站流速率定曲線誤差檢驗(yàn)結(jié)果

從誤差和檢驗(yàn)結(jié)果可看出，庫魯克欄桿水文站15組比測試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的平均相對偏差為2.31%。符號檢驗(yàn)u值經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析為0.54，滿足符號檢驗(yàn)u值低于1.15的誤差檢驗(yàn)要求。適線檢驗(yàn)u值經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析為0.23，滿足適線檢驗(yàn)u值低于1.28的誤差檢驗(yàn)要求。從偏離值檢驗(yàn)結(jié)果看出，庫魯克欄桿水文站15組比測試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離值檢驗(yàn)u值為0.05，可滿足偏離值檢驗(yàn)低于1.33的的誤差檢驗(yàn)要求。綜上按照河流流量測驗(yàn)規(guī)范(GB50179-2015)三種誤差檢驗(yàn)要求，表明庫魯克欄桿水文站流速率定系數(shù)取值為0.62具有合理性，可滿足測驗(yàn)精度要求。

4 流速系數(shù)率定比測影響因素

(1)統(tǒng)一浮標(biāo)制作的型式和材料。應(yīng)按照統(tǒng)一規(guī)范要求對浮標(biāo)進(jìn)行材料的選用，可選用木材、塑料泡沫作為浮標(biāo)制作的主要材料，并按照區(qū)域?qū)嶋H區(qū)域，以方便投放、形狀較為穩(wěn)定進(jìn)行浮標(biāo)型式的制作，按照不同水力條件和不同區(qū)域進(jìn)行流速率定系數(shù)的比測試驗(yàn)。通過大量的比測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合不同影響因素，選擇1～2種浮標(biāo)與水流流速較為相似作為最終的選用浮標(biāo)標(biāo)志物。通過對新疆其他區(qū)域測驗(yàn)實(shí)際工作中可發(fā)現(xiàn)這種做法下可有效降低不同浮標(biāo)之間的性能差異，從而降低不同性能浮標(biāo)下的測驗(yàn)影響誤差，從而提高比測試驗(yàn)的精度和數(shù)據(jù)的可靠性。

(2)更加注重浮標(biāo)測驗(yàn)下的實(shí)際應(yīng)用成果。確保浮標(biāo)測流精度的關(guān)鍵因素是對流速系數(shù)率定的準(zhǔn)確程度，無論是采用中泓浮標(biāo)系數(shù)還是采用全斷面浮標(biāo)系數(shù)進(jìn)行測驗(yàn)，均需要從水文站進(jìn)行比測試驗(yàn)分析中進(jìn)行總結(jié)。對于斷面上下游河床發(fā)生明顯變化或者新建水文站點(diǎn)，都應(yīng)該制定中泓法和全斷面法的浮標(biāo)系數(shù)比測試驗(yàn)計(jì)劃，一旦洪水條件滿足試驗(yàn)需求，就可以開展比測試驗(yàn)分析，通過大量的比測試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后，按照河流流量測驗(yàn)規(guī)范(GB50179-2015)要求確定適合于該站點(diǎn)的浮標(biāo)系數(shù)數(shù)據(jù)系列，從而保障該站點(diǎn)浮標(biāo)測流的精度。

(3)浮標(biāo)需要精準(zhǔn)投放。浮標(biāo)投放方式對其流速系數(shù)率定影響較大。因此在有條件的水文站點(diǎn)盡可能采用水文纜道進(jìn)行不同起點(diǎn)距浮標(biāo)的準(zhǔn)確投放，從而提高浮標(biāo)比測試驗(yàn)系數(shù)率定的精度。從外如果比測站點(diǎn)上游由棧橋，可以在橋上進(jìn)行人工浮標(biāo)的投放，但由于橋墩紊流和回流影響，其浮標(biāo)投放的效果要低于水文纜道的投放效果。

5 結(jié)語

(1)經(jīng)過比測試驗(yàn)分析，庫魯克欄桿水文站流速率定系數(shù)取值為0.62具有合理性，可滿足測驗(yàn)精度要求；

(2)庫魯克欄桿水文站斷面平均流速和浮標(biāo)水面流速具有較好的相關(guān)性，當(dāng)庫魯克欄桿水文站流量高于800m3/s，中泓浮標(biāo)系數(shù)建議采用值為0.62，若發(fā)生大洪水，可進(jìn)行20%曲線外延對流量值進(jìn)行查用。

(3)建議中高水時可采用本文率定的中泓浮標(biāo)系數(shù)進(jìn)行測驗(yàn)，而低水時由于流速垂線梯度變化較小，則浮標(biāo)系數(shù)變化較大，不建議使用。