益門鎮(zhèn)站代表垂線流速與斷面平均流速關(guān)系分析

劉戰(zhàn)勝

（寶雞水文水資源勘測中心,陜西 寶雞 721006）

1 概況

1.1 測站概況

益門鎮(zhèn)水文站建于1955 年5 月,為秦嶺北麓地區(qū)渭河右岸一級支流區(qū)域代表站,屬省級重要站,二類精度水文站。該站地處寶雞市渭濱區(qū)神農(nóng)鎮(zhèn)益門堡村,集水面積219 km2,距河口5.4 km。河道縱比降較大,河水漲落起伏較快,流速大。建站以來實測最大流量733 m3/s,發(fā)生于1981.8.21。監(jiān)測項目有水位,流量,泥沙,降水量,墑情等。

1.2 測驗河段及斷面情況

本站測驗河段順直,河床由沙卵石組成,形狀呈“U”型,左岸為自然河堤,右岸河堤為人工堤防,上游約150 m處有石拱橋一座。測驗河段共布設(shè)上、中、下五個測驗斷面,基本水尺斷面兼流速儀測流斷面及浮標(biāo)中斷面,上下比降斷面間距200 m,上下浮標(biāo)斷面間距100 m。基本斷面河寬58 m,斷面沖淤變化較小,測站控制穩(wěn)定。

益門鎮(zhèn)站近年來測驗河段、河床及河道相對穩(wěn)定,流態(tài)平穩(wěn),斷面內(nèi)無分流串溝現(xiàn)象,主流位置穩(wěn)定,斷面流速分布相對均勻,流速關(guān)系受水位變化因素較少,滿足使用單一的代表流速關(guān)系推求斷面平均流速。益門鎮(zhèn)站2020 年實測大斷面圖見圖1。

圖1 益門鎮(zhèn)站2020年實測大斷面圖

1.3 水文測驗設(shè)施

本站在基本斷面架設(shè)水文測流纜道1 套,纜道測洪能力為 264 m3/s（5 年一遇）,纜道行車架上裝有雷達(dá)流速儀1 套,當(dāng)出現(xiàn)超標(biāo)洪水流量時、可采用水文纜道、雷達(dá)流速儀、浮標(biāo)及比降面積等方法進(jìn)行測流。

2 分析的緣由

由于清姜河屬山溪性河流,洪水一般來勢較猛,陡漲陡落,洪水時測速歷時較長,搶測洪水時要按多線多點(diǎn)法布設(shè)測速垂線、施測多條垂線流速,就會增加一定的人力、物力和時間,難以把握搶測洪水有效時機(jī)。

為確保在較大洪水時,測得及時、測得準(zhǔn)確,收集益門鎮(zhèn)站2020 年全年實測流量記載資料,根據(jù)每條測速垂線與斷面平均流速進(jìn)行資料對比分析,對起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m處的4 條測速垂線流速與斷面平均流速進(jìn)行穩(wěn)定性分析,尋找代表性垂線。

3 資料分析

3.1 分析方法

根據(jù)2020 年益門鎮(zhèn)站實測的109 份實測流量資料,將全年實測流量起點(diǎn)距29.0 m~50.0 m范圍內(nèi)施測的起點(diǎn)距29.0 m、30.0 m、31.0 m、33.0 m、34.0 m、35.0 m、36.0 m、37.0 m、39.0 m、40.0 m、42.0 m、45.0 m、48.0 m、50.0 m的14 條垂線實測資料進(jìn)行統(tǒng)計,通過對比分析選用垂線測次達(dá)67 次以上、流速相對穩(wěn)定的起點(diǎn)距30.0 m、33.0 m、35.0 m、40.0 m四條主流測速垂線參加代表垂線流速~斷面平均流速進(jìn)行相關(guān)分析、檢驗及誤差評定,從而檢驗評定所選用的垂線流速與斷面平均流速的相對誤差及標(biāo)準(zhǔn)差、系統(tǒng)誤差是否符合整編的各項技術(shù)參數(shù),最終確定出符合精度及質(zhì)量要求的代表垂線。

3.2 資料選用

1）本次分析資料選用益門鎮(zhèn)水文站2020 年1 月~12 月全年測流111 次（流速儀法109 次、浮標(biāo)法2 次）［1］,本次分析計算值均為流速儀法測次。流速儀法實測最大流量165 m3/s（相應(yīng)水位638.97 m）、最小流量 0.361 m3/s （相應(yīng)水位636.75 m）。選用資料符合水文測驗技術(shù)及規(guī)范要求,資料成果已通過整編、真實可靠、滿足分析要求。

2）參加分析的所有測次均符合《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定要求,測深測速點(diǎn)無異常,對應(yīng)測次的流量資料均加入年度資料整編,無舍棄點(diǎn)。

3）全年流量測速垂線在起點(diǎn)距29.0 m~50.0 m范圍內(nèi),對109 次流速儀實測的流量資料（其中在35.0 m處測速垂線73 次）全部進(jìn)行分析計算,確保數(shù)據(jù)分析中所取資料的全面性、代表性、一致性。

3.3 分析依據(jù)

1）依據(jù)水利部水文局編寫的《水文測驗》教材中“代表流速關(guān)系線一般為整體或分段的一次方程式,也可是整體的一元二次方程式,對于復(fù)雜情況應(yīng)分段定線,但不應(yīng)采取3 次以上的方程式。截距C的值一般不要超過0.05 m/s”［2］規(guī)定。在關(guān)系線定線中依據(jù)本條規(guī)定,分別試算不同的定線方法,最終選用C值較小,R值近似1.0 的二次方程式作為分析的關(guān)系線。Vc=A×Vt2+b×Vt+C（式中Vc為斷面平均流速；Vt為代表流速；A、B、C為經(jīng)驗系數(shù),由計算確定）。

2）依據(jù)陜西省水文水資源勘測局2001 年《水文資料整編規(guī)范》（補(bǔ)充規(guī)定）中對水位流量關(guān)系定線精度指標(biāo)：“關(guān)系點(diǎn)分布成一帶狀,無明顯系統(tǒng)偏離,75%以上的點(diǎn)子與關(guān)系曲線的偏離相對誤差限度（二類精度水文站,流速儀法高中水不超過±8%,低水及水面浮標(biāo)法不超過±11%）”［3］。

3.4 流速垂線相關(guān)分析

3.4.1 相關(guān)關(guān)系圖繪制

根據(jù)實測的起點(diǎn)距30.0 m、33.0 m、35.0 m、40.0 m四條測速垂線與斷面平均流速繪制相關(guān)關(guān)系圖,得出各起點(diǎn)距的相關(guān)關(guān)系,見圖2。

圖2 各起點(diǎn)距的相關(guān)關(guān)系圖

從圖2 中可以看出起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m四條測速垂線的相關(guān)關(guān)系R值為0.994~0.999,接近于1.0,說明4 條垂線其相關(guān)關(guān)系良好,滿足相關(guān)規(guī)定的誤差要求。

3.4.2 相對誤差及累計頻率分析

對起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m四條測速垂線相關(guān)擬合方程推算出其相關(guān)的垂線流速,計算其相關(guān)流量及流量的相對誤差,然后將換算后的流量相對誤差按照從小到大的順序進(jìn)行排序,進(jìn)行相對誤差分析及累積頻率分析,起點(diǎn)距35.0 m各項誤差分析見表1~表2 （其余3 條垂線計算表1 略）。

表1 益門鎮(zhèn)站起點(diǎn)距35.0 m垂線與斷面流速、流量、累積頻率計算表

表2 益門鎮(zhèn)站起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m測速垂線誤差分析一覽表

續(xù)表1

續(xù)表2

從表2 可以看出起點(diǎn)距30.0 m、33.0 m、40.0 m累積頻率達(dá)75%及95%以上的相對誤差均不能滿足陜西省水文局資料整編（補(bǔ)充規(guī)范）中對二類精度水文站規(guī)定的誤差要求。僅有35.0 m測速垂線滿足該項誤差要求。

3.4.3 關(guān)系曲線檢驗

依據(jù)建立的線性相關(guān)關(guān)系,由回歸方程推算出的垂線平均流速,計算出相應(yīng)流量,與實測流量進(jìn)行誤差計算,進(jìn)行相關(guān)關(guān)系合理性檢驗,關(guān)系曲線檢驗結(jié)論見表3。

表3 益門鎮(zhèn)站起點(diǎn)距30.0 m~40.0 m測速垂線各項檢驗一覽表

通過對4 條測速垂線計算的相關(guān)流量,分別與實測流量進(jìn)行符號檢驗、適線檢驗、偏離數(shù)值檢驗,三種檢驗結(jié)果為起點(diǎn)距30.0 m檢驗均不合格,其余3 條垂線均通過三項檢驗,且系統(tǒng)誤差均小于±1%,但33.0 m、40.0 m 2 條垂線隨機(jī)不確定度均略大于規(guī)范誤差要求的水位流量單一曲線法定線二類站精度±10%要求［4］。起點(diǎn)距35.0 m各項指標(biāo)均符合定線精度各項檢驗要求,可作為代表垂線作為本站斷面平均流速的流量測驗。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）通過以上綜合分析,起點(diǎn)距35.0 m符合各項誤差分析及評定,可作為代表流速垂線計算斷面平均流速,推算斷面流量。其相關(guān)關(guān)系公式為：

式中：Vt代表垂線平均流速,m/s；Vc代表斷面平均流速,m/s。

當(dāng)水位在638.97 m以下時,起點(diǎn)距35.0 m處測速垂線可作為代表垂線作為斷面平均流速的流量測驗,滿足本站流量測驗精度要求。對于超過該水位時,應(yīng)及時恢復(fù)流量測驗,待積累一定資料后再重新進(jìn)行分析。

2）當(dāng)水位測驗超出外延控制線時應(yīng)及時恢復(fù)全斷面流量測驗,并及時補(bǔ)充比測。對于超過分析水位的關(guān)系線,定線時外延幅度不應(yīng)超過±10%。

4.2 建議

1）代表流速法施測期間,流速測驗方法應(yīng)與原測流方案及測驗方法和儀器設(shè)備保持一致,確保代表流速關(guān)系使用的一致性和測驗資料的可靠性。

2）洪水測流期間,如發(fā)現(xiàn)河床及測驗斷面有明顯的變化時,應(yīng)及時進(jìn)行關(guān)系線的檢驗及校測。代表流速關(guān)系受到影響時應(yīng)及時恢復(fù)常測法流量測驗。

3）代表流速關(guān)系線應(yīng)每年進(jìn)行檢驗和率定。經(jīng)連續(xù)3 年以上率定關(guān)系線偏離均不超過5%時,可改為2~3 年率定一次,但每年都必須進(jìn)行檢驗。

4）本次分析的水位級636.75 m~638.97 m,幅度較低,今后應(yīng)加強(qiáng)638.97 m以上水位的流量測驗資料收集,逐步提高流速儀代表垂線的測驗幅度。