阿勒泰地區(qū)水文測站高洪期測流垂線精簡組合方案探討

阿依登別克·木拉提別克

(阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836599)

0 前 言

水文測站常用流量測定的方法為布設(shè)測流垂線，結(jié)合流速儀對(duì)不同測流垂線的斷面平均流速進(jìn)行推求，并結(jié)合測深垂線確定的過水面積，一般采用面積包圍法進(jìn)行流量的計(jì)算[1]。

按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015要求當(dāng)水面寬度低于50m布設(shè)的測流垂線的條數(shù)不宜低于5條，尤其是在高洪時(shí)期為有效控制整個(gè)洪水過程，需要加密洪水期測流垂線的條數(shù)[2]。測流垂線條數(shù)較多的情況下，測流的時(shí)效性很難得到有效保證，對(duì)于突發(fā)洪水，測流數(shù)據(jù)的時(shí)效性是防洪決策的重要依據(jù)，因此當(dāng)前，對(duì)于河道流量測驗(yàn)的精簡方案在許多地區(qū)水文測站進(jìn)行可行性探討，這些研究成果表明，通過對(duì)比觀測試驗(yàn)，建立簡化測流垂線和傳統(tǒng)測流垂線之間的相關(guān)方程，選取相關(guān)系數(shù)較好的3-5條測流垂線，在高洪應(yīng)急監(jiān)測中可以基本滿足流量的測驗(yàn)精度[3-6]。近些年來，隨著水文測驗(yàn)方式的不斷改革和創(chuàng)新，水文測流時(shí)效性也逐步成為關(guān)注熱點(diǎn)，而測流方式的簡化可有效降低測站人員水文測驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測流時(shí)效性[7-10]。阿勒泰地區(qū)水文測站已逐步開展測流方式精簡的對(duì)比試驗(yàn)，為此文章從測站工作實(shí)際出發(fā)，對(duì)阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站的測流垂線精簡方案進(jìn)行對(duì)比分析，從而探討方案的可行性。

1 測流垂線布設(shè)方式

不同類型水文站按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》要求主要的布設(shè)方式為：

1)對(duì)于可行進(jìn)行測流垂線精簡方案的水文測站應(yīng)在多條測流垂線進(jìn)行施測分析的基礎(chǔ)上，開展測流條數(shù)的精簡對(duì)比，探討精簡方案下的測流最優(yōu)數(shù)目。

2)為有效減少測流條數(shù)對(duì)流量測定隨機(jī)及系統(tǒng)誤差的影響，對(duì)不同測流垂線之間的間距進(jìn)行合理設(shè)置，不同水位條件下各測流垂線之間的間距應(yīng)嚴(yán)格按照不同類別水文站要求進(jìn)行設(shè)定，一類、二類、三類水文測站其總的水面寬度與間距的比例分別為7%-10%、8%-11%以及9%-12%。

3)對(duì)于河流漫灘范圍較大以及寬度和深度比例較高的水文站測驗(yàn)斷面，或者河床組成復(fù)雜的水文測站中泓觀測斷面，應(yīng)盡量增加測驗(yàn)斷面測流垂線的數(shù)目，滿足流量測驗(yàn)的誤差要求。

4)對(duì)于水文情勢變化較大且未進(jìn)行測流垂線精簡分析的水文站點(diǎn)，不能采用少線少點(diǎn)法進(jìn)行測流時(shí)，應(yīng)按照站點(diǎn)的實(shí)際測驗(yàn)情況，進(jìn)行測流數(shù)條數(shù)精簡方案分析，當(dāng)水面寬度低于50m時(shí)測流條數(shù)一般不少于5條，其精簡方案下的測流誤差不高于浮標(biāo)法的測流誤差。

5)對(duì)于河道主要水流方向或者河床較為不穩(wěn)定的測驗(yàn)斷面，測流垂線的數(shù)目不宜太少，在流速脈動(dòng)更高的區(qū)域，應(yīng)盡量不布設(shè)測流垂線，在河道主要水流方向盡量多布設(shè)測流垂線的數(shù)目。

2 誤差分析方法

采用對(duì)比觀測方式對(duì)測流垂線的誤差進(jìn)行分析，首先對(duì)水文站所在的河段地形、橫斷面、橫向流速分布以及水位流量進(jìn)行整理和分析，制定研究站點(diǎn)的測流垂線精簡比測分析的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案應(yīng)針對(duì)不同水位級(jí)下進(jìn)行測流垂線的均勻分布，在較為穩(wěn)定的水流條件下開展測流垂線的精簡分析，在進(jìn)行對(duì)比觀測試驗(yàn)時(shí)水位變化幅度需要結(jié)合站點(diǎn)的類別進(jìn)行設(shè)定，一類水文站其水位變幅應(yīng)低于0.1m，二類以及三類水文站其水位變幅應(yīng)低于0.3m，不同水位級(jí)別測流垂線精簡方案下測流的次數(shù)不應(yīng)低于20次，洪水期間測流垂線精簡對(duì)比試驗(yàn)分析難度較大，因此應(yīng)在水流較為穩(wěn)定的時(shí)期進(jìn)行對(duì)比觀測試驗(yàn)分析，水文測站測驗(yàn)斷面水面寬度下的誤差分析分類如表1所示。

表1 不同水面寬度下的誤差分類標(biāo)準(zhǔn)

3 測流垂線精簡方案對(duì)比結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法

以新疆阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站為實(shí)例，探討其測流垂線精簡方案的可行性，精簡垂線方案下的的水位面積按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的要求進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)的方法為對(duì)比精簡和傳統(tǒng)測流方式進(jìn)行同步觀測，對(duì)兩種方式下的流量進(jìn)行分別測定，將測流垂線精簡方案下的群庫勒水文站流量測定值和傳統(tǒng)測流垂線方式下的水位-流量關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 測深垂線布設(shè)誤差檢驗(yàn)

分別對(duì)傳統(tǒng)測深垂線方案和精簡測深垂線方案下的水位-流量關(guān)系按照《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的要求進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 傳統(tǒng)測深垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

表3 精簡測深垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

從傳統(tǒng)測流垂線方案下和精簡測流垂線方案下的群庫勒水文站測定的相同水位量級(jí)下的水位-流量關(guān)系曲線分析結(jié)果可看出，兩種方法測定的各測次標(biāo)準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)不確定度均為《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的流量測驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，因此在群庫勒水文站進(jìn)行高洪應(yīng)急監(jiān)測時(shí)可采用測流垂線精簡方案進(jìn)行測流條數(shù)的精簡，一般可精簡到4-5條測深垂線，以提高測流的時(shí)效性。

3.3 測速垂線的布設(shè)誤差檢驗(yàn)

在測深精簡方案探討的基礎(chǔ)上，分別對(duì)傳統(tǒng)測速垂線布設(shè)和精簡測速垂線布設(shè)方案下的水位-流量關(guān)系誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 傳統(tǒng)測速垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

表5 精簡測速垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

從傳統(tǒng)測速垂線方案下和精簡測速垂線方案下的群庫勒水文站測定的相同水位量級(jí)下的水位-流量關(guān)系曲線分析結(jié)果可看出，兩種方法測定的各測次標(biāo)準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)不確定度均為《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的流量測驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，因此在群庫勒水文站進(jìn)行高洪應(yīng)急監(jiān)測時(shí)可采用測速垂線精簡方案進(jìn)行測速垂線條數(shù)的精簡，一般可精簡4條測速垂線，以提高測速的時(shí)效性。

4 精簡方案下的流量誤差分析

對(duì)兩種方案下的流量測定誤差進(jìn)行不同累積誤差頻率的分析，分析結(jié)果如表6所示。

表6 兩種測驗(yàn)方案下的群庫勒水文站流量測定累積誤差分析結(jié)果

在誤差累積頻率分別為65%和75%下傳統(tǒng)測深垂線和精簡測深垂下方案下群庫勒水文站的誤差值均滿足《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的誤差允許范圍要求，傳統(tǒng)測深垂線布設(shè)方案下的誤差要好于精簡測深垂線的誤差分布累積值。在群庫勒水文站兩種測速方案下其累積頻率誤差值也可滿足流量測驗(yàn)的規(guī)范要求，可見在群庫勒水文站進(jìn)行測深和測速精簡組合方案下其可以滿足站點(diǎn)的流量測定精度的要求。

5 對(duì)比分析結(jié)論

1)采用測深和測速垂線精簡組合方式下，群庫勒水文站對(duì)比觀測的水位-流量關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差以及不確定度均在誤差允許范圍內(nèi)，在群庫勒水文站進(jìn)行應(yīng)急洪水監(jiān)測時(shí)，可結(jié)合實(shí)際洪水情況進(jìn)行精簡方案的流量施測，提高流量測定的時(shí)效性。

2)采用精簡測驗(yàn)方案下可以降低測站人員工作強(qiáng)度，提高洪水監(jiān)測的時(shí)效性，但在洪水監(jiān)測期若來水變化較大，斷面沖淤變化幅度較高時(shí)還需要對(duì)測流垂線進(jìn)行加密觀測，等同步對(duì)比觀測數(shù)據(jù)系列長度較多時(shí)，再進(jìn)行測流垂線的精簡方案分析，制定群庫勒水文站最佳的精簡測洪方案。