水文站流量測次簡化分析研究

李向明

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

1 測站概況

1.1 測站基本情況

龍灣水文站位于鳳城市大堡鎮紀家村，是鴨綠江二級支流八道河下游的控制站，集水面積為854km2，距八道河河口12km。該站常規監測項目有水位、流量、降水、冰情、水質、地下水6類，并兼顧水文測量及水文調查補充項目。該站為區域代表站，主要功能為積累長期水文資料系列，探索研究區域水文特性規律，流域水資源管理及分析評價，水功能區水質分析檢測，水文情報預報并負責向國際、國家各級防汛抗旱指揮機構報送水情信息。目前水位采用氣泡水位計自動觀測，輔以直立式水尺人工校測。該站降水采用稱重式雨雪量計自動觀測，虹吸雨量計及人工雨量器作為備用觀測手段。該站流量測驗精度為三類，主要測驗方式為低枯水流速儀涉水施測，中高水流速儀水文纜道施測，特殊情況下采用纜道雷達波流速儀、中泓浮標或比降面積法施測。其它監測項目都采用人工監測。

1.2 測站基本水文特性

龍灣水文站歷史最高洪水位99.93m，歷史最大洪峰流量4640m3/s，均發生于1960年8月4日。洪水主要來源于八道河中上游，洪水漲落急劇，洪峰多為單峰型。該站水位在93.00m以下時處于枯水期，在93.00～93.30m時處于低水期，在93.30～94.40m時處于中水期，在94.40m以上時處于高水期。低枯水期水流集中在河道左岸，水流較急，河窄且水淺，河寬不足40m，水深不足1m。中高水期水流湍急，河寬可增至200m，漲洪階段水面漂浮物較多。測驗河段順直長約800m，河床較為平整，底質以砂卵石為主。斷面左岸最低，向右岸平緩升高，根據2011—2021年實測大斷面資料統計分析，左岸河床有逐年下切的趨勢，右岸河床基本保持不變。中高水歷年最大斷面變化率30.9%，斷面受洪水沖刷影響較為明顯。但歷年水位流量關系仍為單一曲線。水文站上下游均無大型水利工程，中高水不受水利工程蓄放水影響，河道水流處于天然狀態。

2 技術路線

根據SL 195—2015《水文巡測規范》和GB 50179—2015《河流流量測驗規范》規定，結合各水文站的設站目的和功能需求等實際情況，從以下4個方面進行可行性分析：①調查了解水文站所在的流域概況，水文站網及水利工程分布，交通及通訊條件，經濟社會發展等基本情況；②利用已收集的實測資料，對測站進行斷面穩定性分析，掌握測站測驗斷面受沖淤影響在空間和時間上的變化程度以及測站控制條件轉移變化規律；③根據測站5年以上連續實測資料，分析實測關系點據或單值化關系點據對當年和歷年綜合關系線的定線誤差以及間測偏離誤差，確定水位流量關系線處理方法；④按照一定原則對已收集的實測流量資料進行測次精簡，計算精簡測次后各時段總量的誤差，論證可能到達的測驗精度與允許誤差的關系，合理確定測驗頻次[1-2]。

3 水位流量關系與測次布置分析

3.1 資料收集處理

按照SL 195—2015相關要求，對龍灣水文站5年以上連續實測流量資料進行分析。針對暢流期，對選取的資料系列的符合性從以下4個方面進行判別處理：①所選系列豐平枯水年各占比重；②所選系列實測流量相應水位變幅占歷年水位變幅比重；③各分級水位中實測點據個數；④各年推流方法。選取的資料系列情況見表1。

表1 龍灣水文站資料系列情況統計表

從表1來看，龍灣水文站8年連續實測資料系列按GB/T 50095—2014《水文基本術語和符號標準》豐、平、枯水年劃分標準，2年為豐水年，2年為平水年，4年為枯水年，豐、平、枯水年資料齊全[3]。所選資料中實測流量點據高水83個，中水183個，低枯水223個，滿足樣本數量要求。實測流量相應水位變幅5.05m，占歷年水位變幅100%，所選資料系列符合分析要求。

3.2 間測誤差分析

SL195—2015相關規定：通過5年以上資料分析證明，每年的水位流量關系線與歷年綜合關系線最大偏離不超過允許誤差，流量可實行間測。將龍灣水文站2014—2021年所有暢流期實測流量點據合繪在1張圖上，通過點群中心定出1條綜合的水位流量關系曲線如圖1所示。

圖1 龍灣水文站歷年綜合關系線圖

通過各年關系線與綜合線比較分析，龍灣水文站各年關系線與綜合線最大偏離相對誤差低水為105.5%，中水93.30～93.80m之間最大偏離誤差為25.3%，中水93.80～94.40m最大偏離誤差為9.5%，高水最大偏離誤差為6.9%。綜上分析，龍灣水文站水位在93.80m以上時，每年關系線與綜合線最大偏離誤差未超過SL 195—2015第4.5.8條規定的3類精度站允許誤差。按規范第4.2.6條c)款要求，水位在93.80～97.70m之間，流量可實行間測。分析結果見表2。

表2 龍灣水文站各年水位流量關系線與綜合關系線相對誤差

3.3 流量測次精簡分析

經過分析，水位在93.80m以上時，流量是可以間測的。本次測次精簡分析主要檢驗間測期間的施測年份能否用較少的測次定線，推算的各時段徑流量與綜合線的相對誤差在允許范圍之內。

以2014—2021年暢流期實測流量測次系列作為分析數據，8年中實測流量點據489個，按水位從低到高的順序排列后進行統計，其中低水(水位在93.80m以下)329個，測次為1～329，中水(水位93.80～94.40m)77個，測次為330～406，高水(水位94.40m以上)83個，測次為407～489。先以全年施測10次為最低限制，利用隨機數生成器從低水組中隨機抽取4個點據，從中水組中隨機抽取3個點據，從高水組中隨機抽取3個點據，定成一條水位流量關系曲線。如此反復隨機抽取30次，生成30組隨機流量測次數據系列[4-5]。此30組流量測次系列，可定成30條水位流量關系曲線，對其進行定線誤差分析(結果見表3)，然后用這些水位流量關系曲線推算各種時段量與由精簡前歷年綜合水位流量關系曲線推算的各種相應時段量相比，計算其相對誤差(計算結果見表4)，其最大相對誤差均未超過表4允許相對誤差，則可進行精簡。否則應增加分析測次，繼續分析，直到滿足允許誤差為止。[6]

表3 30條水位流量關系線定線誤差

表4 綜合線與精簡線推算的時段量相對誤差

4 結語

綜上分析論證，龍灣水文站歷年水位流量關系穩定呈單一線，各年水位流量關系線及歷年綜合線定線均滿足規范允許誤差，水位在94.40m以上時每年關系線與歷年綜合線最大偏離值都在規范允許誤差內，按照SL 195—2015第4.2.6條a)款及c)款規定，流量可實行間測。

流量間測后，每年應遵行以下間測原則：

(1)流量可實行停5年測1年，按逢0逢5年測1年的方式進行。

(2)間測期間的施測年份，每年可測7～15次。

(3)當測站控制條件發生變化影響水位流量關系或水位超過97.70m時，應及時恢復流量測驗。