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(長江中游水文水資源勘測局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

1 概 述

陸水流域位于鄂東南主要暴雨區(qū)內(nèi)，流域面積3 950km2，年徑流量29×108m3。陸水河為長江中游南岸的一級支流，源出湘、鄂、贛三省交界的幕阜山北麓，流經(jīng)湖北省的通城、崇陽、赤壁、嘉魚四縣市，在赤壁古戰(zhàn)場下游的洪廟注入長江，全長183km。陸水水系發(fā)育總體呈羽狀分布，河長大于5km的支流有98條，比較長的有6條。

陸水蒲圻水利樞紐位于陸水干流山谷出口處的湖北省赤壁市城區(qū)東南側(cè)，東經(jīng)113°53′22″北緯29°41′41″,是為了加快三峽工程工作進(jìn)程而修建的三峽實(shí)驗(yàn)壩。樞紐控制流域面積3 270km2，占全流域面積的86.1%。陸水水庫為流域內(nèi)最大水庫，總庫容為7.06×108m3。崇陽(二)水文站位于該水電站上游約34km處，陸水水庫高水期對崇陽(二)水文站斷面頂托影響比較明顯。

天城水電站位于崇陽大橋上游530m處，距青山三級電站5km，為陸水干流梯級開發(fā)工程之一，是崇陽縣在陸水河上建成的第一座電站，控制來水面積2 170km2，占全流域面積的56%，多年平均流量56.2m2/s。該站為低水頭，大流量河床式電站。工程由船閘、節(jié)制閘、電廠三部分組成。洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇設(shè)計(jì)。崇陽(二)水文站位于該水電站下游約700m處，此電站對崇陽(二)水文站斷面流量測驗(yàn)影響非常明顯。

2 崇陽(二)水文站簡介

崇陽(二)水文站為國家二類基本控制站，它是一個(gè)典型的山溪性河流測站，水位暴漲暴落，同時(shí)又是一個(gè)典型的水利工程控制站。該站測驗(yàn)河段順直，長約800m，主槽寬約170m。地面高程為59.18m，當(dāng)水位超過此高程時(shí)，兩岸漫灘達(dá)1km之多，兩岸漫灘部分產(chǎn)生岔流、串溝、死水等情況。主槽為沙卵石組成，岸邊經(jīng)改造后為塊石護(hù)坡，河床沖淤變化不大。該站測流常規(guī)采用水文纜道流速儀法測流。該站Z～Q關(guān)系主要受上游700m處四級電站閘門啟閉和機(jī)組發(fā)電控制，洪峰歷時(shí)短，關(guān)系曲線極為復(fù)雜。當(dāng)受下游水庫頂托不明顯時(shí)，Z～Q關(guān)系曲線為單一線形；當(dāng)頂托較為明顯時(shí)，Z～Q關(guān)系曲線族向左偏移并形成繩套，其趨勢歷年相似。發(fā)生特大高洪時(shí)，基本不受電站閘門啟閉和下游水庫回水的影響，洪水歸漕后Z～Q關(guān)系曲線也基本呈單一線形。

3 問題的提出

據(jù)崇陽(二)水文站的測站任務(wù)書規(guī)定，該站流速儀測流方案目前常規(guī)測驗(yàn)方法為高水位以下9線一點(diǎn)法(0.6相對水深處)，高水位以上為9線二點(diǎn)法(0.2、0.8相對水深處)，遇緊急情況如洪水期或上游電站突然開閘放水等，需要縮短測流時(shí)間時(shí)，可采用三線(起點(diǎn)距90、110、130m)二點(diǎn)法(0.2、0.8相對水深處)的簡測法施測，但不得連續(xù)使用超過二次。該簡測方案已實(shí)施十余年，效果穩(wěn)定。美中不足卻是此簡測法不能得到充分利用，一年之中使用的次數(shù)寥寥。主要原因如下：

該站斷面所處陸水河為暴漲暴落的山溪性河流，洪水漲落過程中水面及水中漂浮物較多。尤其是高洪漲水時(shí)期，給纜道測流帶來極大的安全隱患。高洪時(shí)期的漂浮物分布一般沿測驗(yàn)斷面從右岸至左岸逐漸增多。其種類繁多：一般為雜草樹枝、大樹樹干、涵管、沖毀船只，甚至是瓦房屋頂?？梢姶藭r(shí)測驗(yàn)的安全隱患極大。

目前采用的高洪簡測法起點(diǎn)距位于90、110、130m處，恰恰是遭遇漂浮物較多的垂線，且不能連續(xù)使用超過兩次。發(fā)生高洪時(shí)欲采用簡測法測驗(yàn)時(shí)經(jīng)常會苦于起點(diǎn)距90、110、130m處漂浮物較多而放棄。而此時(shí)若強(qiáng)制施測會帶來以下問題：

①當(dāng)測驗(yàn)過程中應(yīng)測垂線上游有漂浮物漂下時(shí)，必須將鉛魚上升離開水面至少2m懸空等待以避開漂浮物，如此就給測驗(yàn)帶來時(shí)間上的拖延，造成測驗(yàn)時(shí)間大大增加。

②當(dāng)測驗(yàn)過程中流速儀在水中被樹枝雜草等漂浮物纏死不來信號時(shí)，必須立即中斷測驗(yàn)，將儀器開回以清除雜物，如若遭遇儀器故障，還需要立即修復(fù)好或更換新的儀器。期間過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對洪水測次分布及測流精度帶來一定影響。

③最危險(xiǎn)的是在測驗(yàn)過程中，若沒能及時(shí)避開重力較大又很結(jié)實(shí)的漂浮物(如大樹樹叉)，導(dǎo)致鉛魚被強(qiáng)行下拖并帶動纜道主索，就極有可能發(fā)生纜道主索被拉斷甚至拖垮整個(gè)纜道的不可控的巨大危險(xiǎn)。更嚴(yán)重的是，往往正當(dāng)這些及其危險(xiǎn)的漂浮物自上而下沖撞下來時(shí)并不是浮在水面上的，它半浮半沉隱匿在水里，測驗(yàn)人員肉眼是無法看見的。這樣巨大的危險(xiǎn)來臨時(shí)，已經(jīng)避無可避了。

基于以上原因，為了安全有效的收集到高洪測驗(yàn)資料，近期崇陽水文站開展更替簡測方案垂線的分析計(jì)算專項(xiàng)工作。

4 簡測方案分析

據(jù)該站測驗(yàn)人員近年來的測驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，如若選擇僅在靠近右岸的起點(diǎn)距30m、50m、70m三處進(jìn)行流速測驗(yàn)得到一個(gè)斷面指標(biāo)流量，再乘以指標(biāo)流量和斷面流量的轉(zhuǎn)換系數(shù)得到斷面總流量，即可較好的避開漂浮物給測驗(yàn)帶來的影響。具體體現(xiàn)如下：起點(diǎn)距30m及50m處靠近斷面右岸，少有漂浮物，起點(diǎn)距70m處因其離右岸邊的纜道啟動位置較近，即便流速儀被漂浮物纏繞不能正常工作，也能及時(shí)開回，費(fèi)時(shí)較少。且70m處一般為近年來斷面流速橫向分布最大處，提取該垂線較具代表性。針對這個(gè)方案，展開以下分析：

4.1 方案確定及分析結(jié)果

崇陽(二)水文站原簡測方案為采用三線(起點(diǎn)距90、110、130m)二點(diǎn)法(0.2、0.8相對水深處)施測，但測驗(yàn)任務(wù)書規(guī)定其不得連續(xù)使用超過二次。此次分析欲將三線改至起點(diǎn)距30、50、70m處。將崇陽(二)水文站2014～2016年但凡右水邊起點(diǎn)距小于30m(即測驗(yàn)斷面起點(diǎn)距30m處位于水下)的常規(guī)流量測驗(yàn)資料篩選出來，得到樣本數(shù)共計(jì)164個(gè)。將這些樣本都只保留起點(diǎn)距30、50、70m三線的流速數(shù)據(jù)，其余起點(diǎn)距流速全部刪去進(jìn)行精簡再計(jì)算。結(jié)合《水文資料整編規(guī)范》(SL 247-2012)表3.3.2-1及表3.3.2-2水位流量合并定線精度表中的二類精度站高中低水的相對誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

結(jié)果顯示：原流量和三線計(jì)算出來的指標(biāo)流量呈較好的單一直線線性關(guān)系，而原流量和三線計(jì)算出來的流量的比值與水位也基本呈集中直線帶狀關(guān)系。由于該斷面少有沖淤變化，水位面積關(guān)系及流速的橫向分布都較為穩(wěn)定，部分?jǐn)嗝媪髁颗c全斷面流量關(guān)系因而也會較為穩(wěn)定。如圖1、圖2所示。

圖1三線流量與總流量關(guān)系圖

圖2比值與水位關(guān)系圖

164個(gè)樣本原流量和三線計(jì)算出來的流量的比值算術(shù)平均值為1.194。首先將1.194作為初步流量系數(shù)與三線流量相乘得到的計(jì)算斷面總流量與原斷面總流量進(jìn)行誤差比較。結(jié)果顯示：平均系統(tǒng)誤差為0%；最大偶然誤差為27%；小于10%的合格率為88.4%。

將三線流量與總流量的點(diǎn)據(jù)擬合出來的關(guān)系比值為1.175，將1.175作為第二流量系數(shù)同樣進(jìn)行上述誤差比較。結(jié)果顯示：平均系統(tǒng)誤差為-1%；最大偶然誤差為-28%；小于10%的合格率為88.4%。

結(jié)果顯示，系數(shù)1.194參與計(jì)算的結(jié)果優(yōu)于1.175。最后方案確定為采用1.194作為精簡方案分析計(jì)算的流量系數(shù)。

4.2 誤差分析

在目前的科技手段之下，流量測驗(yàn)過程中是一定會產(chǎn)生測驗(yàn)誤差的。流速儀法流量測驗(yàn)的誤差來源有以下幾點(diǎn)：起點(diǎn)距定位誤差；水深測量誤差；流速測點(diǎn)定位誤差；流向偏角導(dǎo)致的誤差；流速儀軸線與流線不平行導(dǎo)致的誤差；入水物體干擾水流導(dǎo)致的誤差；計(jì)時(shí)誤差；流速儀率定本身的誤差；測驗(yàn)方案不完善導(dǎo)致的誤差；測驗(yàn)過程中操作不當(dāng)導(dǎo)致的誤差；測驗(yàn)條件超出儀器使用范圍導(dǎo)致的誤差等。這些誤差在高水期和枯水期帶來的影響最大。這些我們目前仍然無法完全避免。

具體對超出誤差10%范圍的樣本有19個(gè)，樣本合格率為88.4%，對這19個(gè)樣本挑選出來進(jìn)行分析，結(jié)果如下：超限的19個(gè)斷面流量全部都在700m3/s以下，有9個(gè)斷面流量在100 m3/s以下，此時(shí)處于洪水過程的退水階段，流量量級較小。產(chǎn)生誤差的原因多為測驗(yàn)過程中斷面上游的天城水電站變閘或者是陸水水庫水位較高對斷面產(chǎn)生頂托影響導(dǎo)致流速橫向分布改變，導(dǎo)致指標(biāo)流量與斷面總流量的比值也會發(fā)生變化。如圖3所示，綠色顯示的2016年第82、83次流量測驗(yàn)，流速的橫向分布因電站變閘而發(fā)生反常。假如僅考慮簡測方案用在高洪漂浮物較多的漲水期，則不會遇到這兩種情況。這19個(gè)樣本將均不會出現(xiàn)，從而不在考慮之列，合格率將為100%。

圖3崇陽(二)站2016年第81-84次流量測驗(yàn)現(xiàn)場分析圖

具體對超出誤差6%范圍的樣本有41個(gè)，對這41個(gè)樣本挑選出來進(jìn)行分析，結(jié)果如下：樣本合格率為75%。減去超出誤差10%范圍的19個(gè)樣本，也就是誤差介于6%～10%之間的樣本個(gè)數(shù)為22個(gè)(其中有7次流量小于700m3/s)。假如僅考慮簡測方案用在高洪漂浮物較多的漲水期，19個(gè)樣本將均不在考慮之列，同時(shí)將7個(gè)小流量樣本也剔除，合格率將為90.9%。如果能避開高水期的陸水水庫頂托影響，則其余超限的斷面流量中大于1 000 m3/s的數(shù)據(jù)也要剔除，數(shù)據(jù)合格率將上升為100%。

綜上分析，誤差超限的主要原因有二：①全斷面常規(guī)法測流在高洪期耗時(shí)較長，很容易碰到測流過程中上游天城電站變閘而影響下泄流量，這一點(diǎn)在現(xiàn)場分析圖中反應(yīng)明顯，流速的斷面橫向分布圖出現(xiàn)反常；當(dāng)下游陸水水庫水位較高會對斷面產(chǎn)生嚴(yán)重頂托影響，同樣導(dǎo)致流速的橫向分布反常。②在漲水時(shí)期漂浮在水面上的稻草、樹木和雜草等漂浮物的影響也會對流量測驗(yàn)帶來較大的流量誤差。

表1列出了誤差超過6%的樣本數(shù)據(jù)及原因分析。

5 結(jié) 語

崇陽(二)水文站所處斷面的流量變化受水利工程影響較大，中低水時(shí)期主要受上游天城水電站下泄流量影響，高水時(shí)期還要受到下游陸水水庫的頂托影響。本次分析的164個(gè)樣本誤差大部分都是由這兩個(gè)影響引起。作為一個(gè)二類精度控制站，如果可以在精度要求上稍作放寬，并避開上述兩個(gè)影響，此簡測方案完全可以頂替所有中高水期測驗(yàn)的常規(guī)(9線1點(diǎn)法或2點(diǎn)法)測驗(yàn)方案。如果僅考慮在高洪漂浮物較多的高洪漲水期采用簡測方案，誤差小于6%的合格率將為100%。完全可以滿足現(xiàn)下相關(guān)規(guī)范要求。

采用此方案的好處在于：①僅在該方案所選垂線處測驗(yàn)時(shí)不會遭遇大的漂浮物，可以有效避免被大漂浮物纏繞帶來的安全隱患；②該站河段高洪靠近右岸漂浮物較少，方案所選垂線靠近右岸，可以有效避開漂浮物，從而基本消除測驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)；③常規(guī)測驗(yàn)一般需1～2h，如若多次碰到雜草纏住流速儀的情況，測驗(yàn)時(shí)間會更長。而簡測法僅需0.5h左右，大大縮短了測驗(yàn)時(shí)間，從而提高測驗(yàn)精度，優(yōu)化布置測次，從而更準(zhǔn)確的定出斷面水位流量關(guān)系。

安全生產(chǎn)是當(dāng)前社會發(fā)展的重中之重，要實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)就必須要在日常工作中提前將安全隱患盡可能的規(guī)避到零。建議崇陽(二)水文站在高洪漲水期采用本次分析的簡測方案來進(jìn)行流量測驗(yàn)。

表1 崇陽(二)站流量垂線精簡分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表