冰峪溝水文測站流速測驗垂線精簡分析研究

邱 洋

(遼寧省撫順水文局，遼寧 撫順 113015)

1 測站概況

冰峪溝水文站位大連市莊河市仙人洞鎮英那河村，E122°59′，N40°00′，集水面積240km2，區域代表站，英那河發源于鞍山市岫巖縣龍潭鄉老北溝，屬山溪性河流具有暴漲暴落特性。測驗河段順直長約1000m，洪水主流居中、比降大、水流急、中水時水面寬約為75m，基上約10m處有一小河溝、汛期有水匯入，基下約1000m處有一急彎，基上約700m處是冰峪溝旅游區一攔河水壩，高水時水由壩上跑，低水時由攔河壩閘門放水，有時旅游區圈水，攔河壩下游斷面河干，河底由中、小型河卵石組成，河床左岸為巖石，右岸草皮及小柳樹。沖淤變化不大， 歷年水位流量關系較為穩定。近些年來，冰峪溝水文站發生洪水的頻次較高，尤其是在7月下旬和8月上旬，是冰峪溝水文站洪水較為集中的時期[1]。在防汛關鍵期，水文測驗的時效性是保障防洪決策科學性和精準性的重要基礎[2]。水文測驗規范當水面寬度與平均水深之間的比值即為寬深比<100m時，需要布設10-14條測速垂線[3]。按照水文測驗規范要求，冰峪溝水文站需要布設10條測速垂線進行一次流量測驗，一次流量測驗的時間一般約為50min[3]。在常規水文測驗時，按照10條測速垂線進行水文測驗一般操作性較強，但是在應急突發洪水水文測驗時，這樣傳統的測流時間很難滿足防洪決策時效性的要求[4]。冰峪溝水文站斷面變化總體較為問題，需要對其測速垂線進行精簡分析，通過精簡其測速垂線的數目，提高冰峪溝水文站測流的時效性。當前，測速垂線的精簡分析在國內許多河流得到研究[6-10]。各項研究成果均表明測速垂線精簡后可滿足水文測驗規范要求并顯著提高其測驗效率，并降低水文測驗人員的勞動強度，基于上述原因，文章從水文測驗效率實際工作角度出發，以冰峪溝水文站測速垂線進行精簡方案的分析，通過對該水文站測速垂線精簡方法分析的成果，指導其他區域水文站測速垂線的精簡分析，提高水文測驗的時效性。

2 冰峪溝站寬深比分析

選取冰峪溝站2019年的22份流量測驗數據，按照《河流流量測驗規范》 (GB 50179-2015)規定對22份流量測驗數據進行了冰峪溝水文站測驗斷面平均水深以及水面寬度進行計算，對其流量測驗時的寬深比進行分析，通過22份流量測驗數據的寬深比分析，其寬深比值在51.2-81.3之間，通過對實測流量時的寬深比進行分析，冰峪溝水文站水面水面寬度在73.1-91.7m之間，水面寬度與平均水深之間的比值在51.2-81.3之間，屬于窄深型河道。

3 精簡方案

3.1 傳統測速垂線數目要求

《水文測驗手冊》要求當水面平均水深與水面寬度的比值<100時，為窄深型河道。冰峪溝水文站測驗斷面的平均水面寬度與平均水深的比重范圍在51.2-81.3之間，按照《水文測驗手冊》要求冰峪溝水文站在寬深比范圍之內需要設置的測速垂線的數目需要達到10-14條。

3.2 傳統測速垂線下斷面平均流速和垂線平均流速相關性分析

根據《水文測驗手冊》常測法的垂線﹑測點綜合精簡的分析的要求，結合本站的斷面情況，如上圖所示：垂線流速橫向分布變化趨勢，采用起點距為：69m、76.1m、86.4m、95m、101.6m、108.8m、115m、119.3m、128.5m、130m的垂線流速，以斷面平均流速為縱坐標，以每條垂線的流速為橫坐標建立相關關系。 各起點距下斷面平均流速與各條垂線平均流速之間的相關圖，見圖1。

從各起點距下垂線平均流速和斷面平均流速的相關分析結果可看成，各條垂線下斷面平均流速和垂線平均流速之間的相關系數均在0.9以上，可見各條垂線的斷面平均流速和垂線平均流速之間具有較好的相關性。這主要是因為冰峪溝水文站底由中、小型河卵石組成，河床左岸為巖石，右岸草皮及小柳樹。沖淤變化不大， 歷年水位流量關系較為穩定，而穩定的水位流量關系使得各條垂線的平均流速變化較為穩定，因此各起點距下斷面垂線平均流速和斷面平均流速之間具有較好的相關性，因此可以采用精簡測速垂線的條數來滿足其水文測驗的需要，從而降低水文測驗的勞動強度，提高測流的時效性。

3.3 精簡分析

從各起點距下斷面平均流速與各垂線平均流速相關圖中，選擇相關系數最高的兩條條測速垂線，兩條相關系數的最高的測速垂線起點距分別為95m和115m，并以這兩條的垂線平均流速的平均值作為橫坐標，以斷面平均流速為縱坐標，繪制這兩條垂線下的斷面平均流速和垂線平均流速的相關圖。 此外在各起點距的斷面平均流速與各條垂線平均流速相關圖中，選擇相關系數較高的3條垂線，各垂線起點距分別為95m、101.6m以及115m，對這3條測速垂線的垂線平均流速取平均值，建立該3條垂線測速平均值和斷面平均流速之間的相關圖。不同精簡方案下的垂線平均流速和斷面平均流速的相關性分析結果，見圖2。

圖2 不同精簡方案下的垂線平均流速和斷面平均流速的相關性分析結果

從2條垂線平均流水和斷面平均流速可知，其相關系數可以達到0.9052，雖然相比于單條垂線下相關系數有所減小，但是按照水文測驗規范要求，其依然可以滿足水文測驗的精度要求，從3條垂線的相關系數可看成其相關系數為0.9782，相比于兩條垂線其相關系數也有所增加。

3.3.1 精簡誤差分析

在垂線精簡方法分析的基礎上，按照水文測驗規范要求，分別對兩種垂線精簡方案下的誤差進行分析，具體分析為將兩種測速垂線精簡方案下的流速推求值，和斷面面積進行相乘得到精簡后的流量，將傳統布設10條測速垂線方案下推求的流量和精簡方案后的流量進行對比分析，若流量對比誤差滿足水文測驗規范要求，則可采用精簡的測速垂線方法進行水文測驗作為冰峪溝水文站水文測驗的常規測流方式。起點距分別為95m和115m，以及起點距分別為95m、101.6m以及115m兩種測驗精簡方案下測驗誤差分析結果，兩垂線精簡方案下的誤差分析結果，見表1；三垂線精簡方案下的誤差分析結果，見表2。

表1 兩垂線精簡方案下的誤差分析結果

續表1 兩垂線精簡方案下的誤差分析結果

表2 三垂線精簡方案下的誤差分析結果

從冰峪溝水文站兩種測速垂線精簡方案分析結果可看出，采用3條測速垂線精簡方案下的垂線平均流速對斷面平均流速進行代替后期流量對比誤差值最小。通過對誤差累計頻率的分析，當各種測速垂線精簡方案下流量對比累計誤差達到50%則表明精簡方案存在系統誤差，通過對兩種精簡方法下的系統誤差進行了分析，冰峪溝站兩種測速垂線精簡方案下的系統誤差均<2%，滿足水文測驗規范要求的誤差界限范圍內，采用的精簡方案滿足測驗要求，可以用來進行常規測流分析。

3.3.2 結論

1)冰峪溝站可選用起點距分別為為95m、101.6m以及115m的3條測速垂線作為該站點常規水文測驗的測速垂線精簡方案，經誤差分析，可滿足水文測驗的誤差界限范圍要求；

2)精簡方案下需要保持斷面的穩定，因此當測驗斷面沖淤變化較大時，還需要加密測速垂線的數目，從而保證測驗的精度。