臨溪水文站纜道流速儀法流量簡測分析研究

胡中南

(安徽省黃山水文水資源局，安徽 黃山 245000)

水文測驗是所有水文工作的前提和基礎，水文預報、水文分析等都由水文測驗提供相應的水文數據。隨著經濟的發展及科技的進步，近幾年水文工作有了較大的變化，但相比水位、降雨觀測，流量測驗的復雜性使其在自動測報技術中的發展仍然相對落后。黃山水文水資源局近幾年在三陽坑(梅溪)站、屯溪站及漁梁站等開展了雷達波在線測流，但因測驗環境復雜多變、中高水流量實測難度較大等因素影響，雷達波水面系數還在進一步率定及完善中。開展雷達波在線測流是水文站流量自動測報的重要探索與研究，是后續流量測驗工作的發展方向，但基于當前環境，其穩定性和可靠性還需進一步提高。

當前，纜道流速儀法測流仍是國內流量測驗的主要手段。各水文站在多垂線的基礎上經過垂線精簡分析保留了部分垂線，并以此通過部分流量加權法計算全斷面的流量。此方法施測的流量精度雖能保證，但測驗過程耗時較多，尤其在皖南山區洪水陡漲陡落的特點下，削減了流量數據的瞬時特性，也因鉛魚長時間處于入水狀態給測驗帶來安全隱患。因此，在常規測驗的基礎上，探索研究纜道流速儀法流量簡測方法，對于應對洪水期尤其是中高水測驗十分重要。本文以臨溪水文站近幾年纜道流速儀實測流量數據為載體，分析探索流量簡測方法，并進行誤差分析，結果表明測流結果符合相關要求，據此提出臨溪站纜道流速儀法流量簡測方案及相關計算方法。

1 測站概況

1.1 基本情況

臨溪水文站建于1987年7月，位于安徽省績溪縣臨溪鎮臨溪村，屬錢塘江流域新安江水系楊之水，流域面積585km2，流域坡度為51.6dm/km2，流域形狀系數為0.283，是皖南山區500～1000km2代表站、二類精度站。臨溪站凍結基面與85基準較差值為127.496m。測站測驗河段順直，河槽近似矩形，河床主要由卵石及巖石組成。斷面上游360m處為楊之水與登源河交匯口，斷面中泓位置視兩河來水量大小不同而改變，斷面下游400m處有大彎道，對中高水起控制作用，水位-流量關系較為穩定。

1.2 水位級劃分

臨溪站水位級的劃分依據《河流流量測驗規范》(GB 50179—2015)第4章第4節規定，針對二、三類精度水文站，水位級的劃分采用典型年法，劃分結果見表1。

表1 臨溪站水位級劃分情況 單位：m

2 現狀測驗情況

2.1 測驗河段河床變化情況

臨溪站測驗斷面附近河段因公路建設、河道采砂頻繁、汛期洪水沖刷，河床大部分位置已至基巖，河床相對穩定，近幾年無較大變化。2017年績溪縣水利局在測驗斷面右岸上下游修建了幾百米長的漿砌塊石擋墻，使斷面發生一定變化。多重因素造就的斷面變化對低枯水期有一些影響，但對中高水水位-流量關系影響不大。

2.2 測速垂線布設情況

纜道流速儀常測法采用9條測速垂線，垂線相對固定，布設情況見表2。常測法垂線布設符合《河流流量測驗規范》(GB 50179—2015)的規定，大斷面及垂線分布見圖1。

表2 纜道流速儀斷面測速垂線布設情況

圖1 臨溪站大斷面及測速垂線分布情況

3 流量簡測分析

3.1 分析目的及范圍

簡測分析的目的是為了在保證測驗精度的同時，以更短的時間、更安全的方式測得全斷面流量，保證流量數據的瞬時特性，為防汛抗洪搶險贏得寶貴時間。因此，本次分析的范圍根據水位級劃分確定為低、中、高水部分，具體水位變幅為1.90m及以上。

3.2 分析方案

3.2.1 分析路線

臨溪站纜道設計測洪能力為7.50m，但實際測驗中因為流速大及漂浮物多等不利因素，導致水位達5.00m左右時，尤其在漲水時段，纜道流速儀很難再以0.6測法施測，視水流情況改為全斷面0.0測法，因此該分析根據垂線流速測法分為0.6和0.0兩條線路進行，分別命名為線路1和線路2。

3.2.2 分析資料選用情況

a.線路1：根據上述測驗河段河床變化情況，選用2017—2020年資料分析范圍內纜道流速儀0.6測法所有流量測次，共計81次，實測水位變幅為1.92～5.39m，實測流量變幅為60.2～969.0m3/s。

b.線路2：2017—2020年纜道流速儀0.0測法測次較少，僅有13次，因斷面變化對中高水影響較小，且較近年份2013年也發生了較大洪水，故分析資料加入2013年5次水面0.0測法流量測次，共計18次，實測水位變幅為4.80～7.36m，實測流量變幅為706.0～1720.0m3/s。

3.2.3 分析方法

常測法全斷面流量為部分流量加權所得，測流時需逐次施測各垂線流速，然后分別計算部分流速、部分面積，最后得出部分流量。常測法測速垂線較多，測驗及計算過程較為復雜。本次簡測分析的思路是以計算的常測法垂線中較少幾條垂線的算術平均流速，代表斷面的平均流速，然后與斷面面積直接相乘得出全斷面的流量，探求該計算流量與實測流量間的相關關系，具體分析步驟如下：

b.按相同的組合方式，將各個樣本計算所得的Q計算與相對應的實測流量Q實點匯Q計算-Q實關系圖，建立同組合計算流量與實測流量兩者之間的相關關系。

c.根據建立的Q計算-Q實相關關系，按照相關關系公式計算各組合方式下Q計算換算的相對應的流量Q′。

d.計算各組合方式各樣本Q′與相對應Q實之間的相對誤差，相對誤差計算公式為

δ=(Q′-Q實)/Q實×100%

e.分析并統計所有樣本換算流量Q′與實測流量Q實的相對誤差值，根據規范，相對誤差小于5%為合格。

f.當某種組合方式下，各樣本相關關系計算的Q′與相對應Q實之間的相對誤差均小于規定誤差5%時停止計算，得出最優垂線組合方式。

線路2因為垂線流速為水面0.0測法，其全斷面實流量最終結果引入了水面流速系數，故為排除引入水面系數所帶來的計算誤差，本次線路2分析不引入水面系數，只分析計算的虛流量與水面0.0實測虛流量之間的相關關系，實際測驗中在分析結果上根據計算的虛流量再加入水面系數即可。

3.3 計算結果與分析

因此，n=3時，兩條線路的最優垂線組合方式(30m，50m，70m)已經能夠滿足流量簡測需要，無須再繼續分析計算。為滿足流量簡測的需要，且最大限度地保障測驗的精度，從測驗開展的方便性出發，兩條線路分析結果均選取(30m，50m，70m)的垂線組合方式。線路1、線路2相關關系見圖2、圖3。

圖2 線路1相關關系

圖3 線路2相關關系

3.4 分析結果復核計算

臨溪站2021年水位1.90m以上纜道流速儀法共測流4次，其中0.6測法3次，0.0測法1次，依據上述分析結果進行流量復核計算，各復核樣本誤差均滿足規范要求，成果見表3。

表3 復核計算成果

4 結 語

通過上述臨溪站纜道流速儀法流量簡測分析研究可知，兩條線路簡測分析代表垂線均為(30m，50m，70m)的組合，相關關系分別為

Q′=0.87Q計算+5.74

(1)

Q′=0.74Q計算+134

(2)

即水位在1.90m以上開展0.6(30m，50m，70m)3垂線簡測時，用式(1)計算全斷面流量；水位在5.00m左右及以上開展0.0(30m，50m，70m)3垂線簡測時，用式(2)計算全斷面虛流量，相關關系可在分析范圍內適當上延運用。兩條線路簡測分析的代表垂線一致，說明全斷面代表垂線與水位級、測法等無關，只與垂線位置有關，這3條垂線代表了斷面流速的分布特點。

本次簡測分析線路2受限于樣本數目，建議后續在常規測驗的基礎上增加分析樣本，進一步完善分析結果。兩條線路包含的分析范圍已足夠滿足簡測需要，建議臨溪站在中高水期間，尤其是漂浮物較多、洪水變幅較大等不利時期，根據分析結果多開展流量簡測，為快速開展防汛搶險提供較為精確的流量數據。