王 歡 ，夏 超 ，封一波 ，武宜壯 ，劉煒偉

（1. 江蘇省水文水資源勘測局連云港分局，江蘇 連云港 222004；2. 無錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無錫 214101）

0 引言

由于受過水斷面的測流條件和人為因素等影響，水文站低水流量測驗精度偏低。在實際低水測速中，如果天然河道斷面條件較差（如沙石礫河床），將造成斷面流速分布紊亂，水流集中的地方流速偏大，引起實測低水流量偏大；受流速儀要求最低測流水深需淹沒漿葉，尾翼流向有所偏差等限制，致使岔流、散流、淺灘無法測得流速[1]；在涉水測驗整個測流過程中，測流人員需手持測深桿，會阻礙水流運動，使得人與測深桿間流速增大，這些因素都將影響低水流量測驗精度[2]。因此，如何提高低水測驗的精度，值得水文工作者深入研究。

黑林水文站位于淮河流域濱海諸小河水系青口河上游，為青口河上游干流區(qū)域徑流站、小塔山水庫入庫控制站，斷面以上流域面積為 190 km2，流域平均寬度為 11.0 km，流域平均比降為 36.90‰，干流長度為 17.0 km，干流平均比降為 2.90‰，暴雨洪水特性屬山丘區(qū)雨洪特性，暴漲暴落。設站目的為控制青口河干流徑流積累資料，為省界水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護、工程管理等提供數(shù)據(jù)信息，為下游（主要為小塔山水庫）防汛防旱和水利工程調(diào)度等提供水文情報服務。

受流域面積及自然地理條件的影響，測流斷面常年有基流，流量較小，給測驗帶來較大困難，為解決黑林水文站低水測驗的難題，實施矩形量水堰工程，以提高低水測驗精度。

1 矩形量水堰應用

對黑林水文站測驗斷面進行綜合整治，對河道右岸側(cè)沙洲進行回填平整，為防止沖刷，回填平整后采用漿砌塊石進行防護。在低水時開挖，清理河床，改變流向，使徑流集中歸槽，在主槽建設混凝土結構矩形量水堰 1 座。

矩形量水堰在河道上的平面布置圖如圖 1 所示。

矩形量水堰高 1.5 m，采用混凝土結構，堰軸線方向長 32 m，上游設 4.0 m×0.4 m 厚長混凝土鋪蓋，下游設 5.0 m×0.3 m 厚漿砌塊石護坦，堰上、下游兩側(cè)共設 0.30 mm×12.25 m 厚漿砌塊石護坡。

矩形量水堰（堰口）橫斷面圖如圖 2 所示。

矩形量水堰過流斷面處凈高為 1.0 m，寬為3.0 m，設計最大過水流量為 4.0 m3/s，底高程為33.00 m（85 基準基面，下同），下游設 5.0 m ×0.3 m厚漿砌塊石護坦，底高程為 32.50 m，比過流斷面底高程低 0.5 m，讓矩形量水堰過水斷面形成自由跌水。

圖 1 矩形量水堰在河道上平面布置圖

圖 2 矩形量水堰橫斷面圖（長度單位為 cm）

矩形量水堰堰口中心處的縱剖面圖（沿河流方向）如圖 3 所示。

2 率定方案分析

2.1 目的及要求

率定目的：在低水期間通過流量監(jiān)測，建立水位-流量單一關系線，驗證矩形量水堰是否達到設計要求，實現(xiàn)流量實時在線。

監(jiān)測要求：根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，應積累不少于 30 次的實測資料，均勻分布于水位-流量關系要素的全變幅內(nèi)[3]13。

2.2 斷面布設

根據(jù) SL 537—2011《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》，量水堰的水頭測量斷面應設置在堰頂上游 3～5 倍最大水頭處[4]，測驗斷面布設在基準斷面以下50 m，量水堰上游水流平穩(wěn)處。

2.3 質(zhì)量控制

根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，定線精度中，二類水文站隨機不確定度 ≤ 10，系統(tǒng)誤差 ≤±1%；關系線檢驗中，定線成果需通過符號、適線、偏離數(shù)值檢驗[3]14。

3 成果和運用效果分析

3.1 測驗資料收集分析

黑林水文站量水堰建設完成后，根據(jù)比測率定方案，使用流速儀法開展量水堰比測率定工作。根據(jù)水位變幅情況，全年共完成比測 34 次，滿足 SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》中，相關曲線實測點不應少于 30 點的要求。實測最大流量為 3.950 m3/s，最小流量為 0.069 m3/s。

黑林水文站量水堰實測水位、流量成果如表 1所示。將表 1 中實測流量 Qi與相應水位關系點繪在Excel 表格中，利用 Excel 表格通過點群中心進行擬合定線，水位-流量關系線如圖 4 所示。

從圖 4 可以看出，實測點均勻分布于擬合線的兩側(cè)，相對誤差普遍較小，點距合理（高、中、低），測點布設均勻，線型合理。

圖 3 堰口中心處的縱剖面圖（沿河流方向，長度單位為 cm）

表 1 黑林水文站量水堰實測水位、流量成果表

圖 4 黑林水文站矩形量水堰水位-流量關系線

3.2 定線精度分析

根據(jù)黑林水文站量水堰水位-流量關系線，讀取34 個測點相應水位下的線上流量 Qci，與實測流量Qi進行分析。根據(jù)公式計算測點與關系曲線的相對偏離值 pi；根據(jù)公式計算得到平均相對偏離值 p = - 0.25%，相關計算如表 2 所示。進一步根據(jù)表 2，可計算得到 ∑ pi2和∑ (pi- p )2的值分別為 0.035 21，0.035 05。

根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，穩(wěn)定的水位-流量關系曲線，均應計算實測點對關系線的標準差、隨機不確定度和系統(tǒng)誤差。

1）標準差計算。根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》[3]10，實測點標準差 σe可按以下公式計算：

式中：n 為測點總數(shù)，n = 34。

2）隨機不確定度。隨機不確定度 XQ′ 為標準差的 2 倍，即 XQ′ = 2 σe= 6.6%。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求，二類精度水文站 XQ′ ≤ 10%，關系線成果滿足要求。

3）系統(tǒng)誤差。實測點與關系線無明顯系統(tǒng)偏離時，系統(tǒng)誤差可采用實測點對關系線的相對誤差平均值進行計算，則關系線的系統(tǒng)誤差 p = - 0.25%。根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，二類精度水文站關系線系統(tǒng)誤差 ≤ ±1%，關系線成果滿足要求[3]12。

3.3 關系線檢驗

3.3.1 符號檢驗

進行符號檢驗時，分別統(tǒng)計測點偏離曲線的正、負號個數(shù)（偏離值為零者，作正、負號測點各半分配），按公式計算統(tǒng)計量 μ 值，小于查表確定的臨界值，則認為合理，即接受假設[3]14。統(tǒng)計量公式為

表 2 黑林水文站量水堰實測和線上流量及偏離值相關計算表

式中：k 為正號或負號個數(shù)，根據(jù)表 2 第 4 列的數(shù)值轉(zhuǎn)換，選取負號個數(shù) k 為 19。

3.3.2 適線檢驗

按測點自變量值由低至高排列順序，從第 2 點開始統(tǒng)計偏離正負號變換，符號變換記 1，否則記0，當后一個偏離值為 0，也記為 1。統(tǒng)計記“1”的次數(shù)（見表 2 第 5 列），按公式計算統(tǒng)計量 u 值，小于查表確定的臨界值，則認為合理，即接受假設。計算公式如下：

式中：h 為符號變換次數(shù)，表 2 中符號變換次數(shù)總計為 14 次，h ＜ 0.5 (n - 1) 時作檢驗，否則不作檢驗。

3.3.3 偏離數(shù)值檢驗

進行偏離數(shù)值檢驗時，應按公式計算 p 的標準差σp和統(tǒng)計量 t 值，如 | t | 值小于查算表中給定的臨界值，則認為合理，即接受假設。具體公式如下：

式中：σ 為標準差。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求[3]16，臨界值為 1.28， | t | = 0.45 ＜，合理，接受假設。

為有效保證黑林水文站低水期水位-流量關系線的合理、正確，對其進行了偏離數(shù)值檢驗、適線檢驗及符號檢驗。結果表明，三項檢驗全部合格，實測點均勻分布于擬合線的兩側(cè)，誤差小，點距、線型合理。

3.4 運用效果分析

黑林水文站低水期水位-流量關系線成果獲得批復使用后，低水期流量測驗次數(shù)大大降低。統(tǒng)計量水堰使用前 20 a 流量測驗資料，低水期年平均測流 105 次；量水堰投入使用后，低水期年平均測流8 次（校核定線成果），測次減少 90% 以上，測站人員由原來的 3 人較少到 2 人。通過 2 a 的成果校核，黑林水文站低水期水位-流量關系線穩(wěn)定，測驗成果平均誤差為 0.49%，最大誤差為 3.20%，精度較高。

4 結語

通過黑林水文站矩形量水堰的運用實踐證明，矩形量水堰具有自由流態(tài)穩(wěn)定，量水精度高的特點，可有效提高水文站低水測驗精度，降低測站測驗勞動強度。對水位-流量單一線進行進一步開發(fā)運用，通過編程，可實現(xiàn)低水流量實時在線，推進江蘇省水文測報方式改革。量水堰工程值得在中小河流的水文測站中推廣使用。注意當測驗斷面上下游工況發(fā)生改變時，需及時校核關系線成果。

不足之處，新建的矩形量水堰工程未能考慮到在大洪水過后可能造成量水堰堰前兩側(cè)擋墻處泥沙淤積的問題，需要引起重視。在今后的測站管理工作中，應及時清理堰前兩側(cè)擋墻處的泥沙，保證低水期水位流量關系的穩(wěn)定。