呂 博

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

按照國家GB50179—2015《河流流量測驗規(guī)范》規(guī)定，水文站常規(guī)測驗方法要求水面寬小于50m時不少于5條測驗垂線，但在高洪測流時，由于需要布設的垂線較多，使得一次測流的時間較長，常錯失搶測洪峰時機，測到的流量精度也不夠準確[1]。有研究成果表明[2- 6]，在暴雨易發(fā)區(qū)可結合河流水情特點，對測驗垂線進行精簡，從而提高測驗效率，保障汛期測流的時效性。遼寧省最大24h暴雨量超過300mm的區(qū)域全部集中在遼東地區(qū)，屬于洪水極易發(fā)區(qū)[7]。該區(qū)域河流水面寬度均較大，按照水文測驗規(guī)范要求，當水面寬與平均水深之比值(B/D)大于100時河道測速垂線在8～14條，常規(guī)測流方式下，遼東地區(qū)大型河流均需要布設8條以上測速垂線，常規(guī)測流方式下一次洪水測驗耗時在1.5～2.5h內(nèi)，在發(fā)生大洪水或者超標準洪水時，其時效性很難滿足防汛決策的要求。近些年來，許多地區(qū)已經(jīng)展開水文測驗精簡方式的研究[8- 15]，但是各地區(qū)由于河流特點不同，測驗精簡的方式有所不同，需要結合不同區(qū)域河流水文測驗的特點，因地制宜地開展水文測驗方式的精簡分析研究，從而提高遼東暴雨洪水易發(fā)區(qū)防洪決策的時效性，保障大洪水期間人民生命財產(chǎn)安全。

1 水文站流量測驗垂線的布設原則

GB50179—2015對不同類型水文測站垂線的布設明確了6個方面的原則如下：

(1)垂線精簡方式。對于可以進行精簡分析的水文測站，在根據(jù)多條垂線進行流量測定的基礎上，對垂線精簡分析，從而確定最優(yōu)的垂線精簡條數(shù)。

(2)垂線間距比例。為降低不同垂線數(shù)目對流量測定系統(tǒng)以及隨機誤差的影響程度，應合理設置不同垂線的間距，不同垂線的間距與不同水位級下總的水面寬度之間的比例應該嚴格按照一類水文站7%～10%，二類水文站站8%～11%，三類水文站9%～12%進行設定。

(3)垂線的適當調(diào)整。對于寬深比特別大以及河流漫灘較為嚴重的測流斷面，或者是河床組成較為復雜的河流應適當增加垂線的條數(shù)，滿足流量監(jiān)測精度的需求。

(4)垂線的優(yōu)化布設。對于河流水文情勢變化較為劇烈且未進行垂線精簡分析的站點，少線少點法不能使用時，應酌量減少垂線的條數(shù)；但水面寬小于50m時垂線的條數(shù)不應小于5條，應保證其測流精度不低于采用浮標法進行測流的精度。

(5)垂線的數(shù)目和布設位置。河床不穩(wěn)定或者河道主流擺動劇烈的水文測站，垂線不宜過少，在流速脈動特別大的區(qū)域，應盡量避免布設測速垂線。在河道主流部分應盡量多布設垂線。

2 測速垂線精簡算法

垂線精簡精度評定主要采用誤差試驗的方式，首先對精簡測驗河段地形數(shù)據(jù)、大斷面地形數(shù)據(jù)、流速分布數(shù)據(jù)以及水位流量特征數(shù)據(jù)進行收集和整理。其次是制定垂線精簡的誤差試驗方案，流量測驗的誤差方案應在不同水位級下均勻分布，并在水流較為穩(wěn)定的條件下進行流量誤差試驗。此外，對流量誤差試驗分析的水位變幅應按照不同類別水文站進行設置，一般而言對于一類精度的水文站，其水位變幅應該小于0.1m，二類和三類精度的水文站，其水位變幅應小于0.3m。垂線精簡后，一般不同水位級別下測驗次數(shù)不能小于15次，由于大洪水期間水文測驗的精簡分析較為困難，則應選擇在水流較為穩(wěn)定的時期進行垂線精簡誤差試驗分析。不同水面寬度的誤差試驗精度評定結果見表1。

3 實例分析研究

3.1 測站概況

本文選取鞍山地區(qū)的岫巖站以及大連地區(qū)的冰峪溝站舉例分析水文測驗精簡試驗結果。岫巖水文站位于岫巖縣岫巖鎮(zhèn)興隆社區(qū)，東經(jīng)123°17′，北緯40°17′。該站點是大洋河上游的重要控制站，也是區(qū)域主要代表站，集水面積為910km2，距大洋河河口115km，中高水河寬約200m。大連地區(qū)冰峪溝水文站位大連市莊河市仙人洞鎮(zhèn)英那河村，東經(jīng)122°59′，北緯40°00′，集水面積240km2，所在河流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。

3.2 寬深比確定

根據(jù)GB 50179—2015規(guī)定選取 2017、2018測流水位在中高位置的流量測次24份。分別計算出測驗24份流量時河流的水面寬度(B)和平均水深(D)，做寬深比(B/D)分析。通過計算得出的寬深比(B/D)值為200～600。從24份實測流量來分析，岫巖站水面寬范圍為316～463m，寬深比值(B/D)范圍在216～419，為寬淺河流。冰峪溝站水面寬范圍在73.1～91.7m，寬深比值(B/D)范圍在51.2～81.3，為窄深河道。

3.3 斷面平均流速與垂線流速相關性分析

根據(jù)《水文測驗手冊》常測法的垂線﹑測點綜合精簡分析的要求，結合2個站的斷面情況、垂線流速橫向分布變化趨勢，采用起點距分別為：100、110、120、130、140、150、160、170m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，結果如圖1—2所示。

圖1為選取的岫巖站不同起點距各垂線測定流速和斷面平均流速之間的相關性，從各垂線的相關分析結果可以看出，各單條垂線流速和斷面平均流速的相關性均較好，各垂線相關系數(shù)均在0.80以上，起點距對垂線測定流速和斷面平均流速之間相關系數(shù)影響較低。在岫巖站各垂線中，選擇相關性較好的2條垂線(140、150m)和3條垂線(120、140、150m)的總體相關性均較好，選作岫巖站垂線精簡方案進行對比分析。圖2為選取的冰峪溝站不同起點距各垂線測定流速和斷面平均流速之間的相關性，從各垂線的相關分析結果可以看出，各單條垂線流速和斷面平均流速的相關性也均較好，各垂線相關系數(shù)均在0.5769～0.9393之間，且起點距對冰峪溝站垂線測定流速和斷面平均流速之間相關系數(shù)影響也較低。在冰峪溝站各垂線中，選擇相關性較好的2條垂線(100、140m)和3條垂線(100、130、140m)的總體相關性均較好，選作冰峪溝站垂線精簡方案進行對比分析。

3.4 新精簡算法垂線流速相關性分析結果

在2個站點各單條垂線斷面平均流速與垂線流速相關性分析的基礎上，按照選取的垂線精簡方案，分別進行2和3條測驗垂線精簡，并對垂線精簡后的測定流速和斷面平均流速的相關性進行分析，各站點分析結果如圖3—4所示。

表1 垂線精簡精度評定要求

圖1 常規(guī)測流方法下岫巖站各垂線測定流速和斷面平均流速的相關性分析結果

圖2 常規(guī)測流方法下冰峪溝站各垂線測定流速和斷面平均流速的相關性分析結果

圖3 岫巖站測驗垂線精簡后的斷面平均流速和垂線測流流速相關性分析結果

圖4 冰峪溝站測驗垂線精簡后的斷面平均流速和垂線測流流速相關性分析結果

從圖3中可看出，鞍山岫巖站采用2條垂線進行流速測定后，斷面平均流速和垂線流速之間的相關系數(shù)可達到0.9052，屬于高度相關，且均高于起點距，分別為140、150m的單條垂線下測定流速和斷面平均流速的相關性?？梢姴捎?條垂線進行測驗方案精簡后，其測定流速能滿足精度要求。采用3條垂線后其相關系數(shù)可達到0.9782，屬于高度相關，可見采用3條垂線進行方案精簡后，鞍山岫巖站測定的流速同樣可以滿足水文測驗的精度要求。圖4為大連冰峪溝站垂線精簡分析結果，從圖中可以看出，采用2條垂線進行流速測定后，斷面平均流速和垂線流速之間的相關系數(shù)可達到0.9202，也屬于高度相關，且均高于起點距，分別為100和140m的單條垂線下測定流速和斷面平均流速的相關性?？梢姳鴾险静捎?條垂線進行測驗方案精簡后，其測定流速也能滿足精度要求。采用3條垂線后其相關系數(shù)可達到0.9251，屬于高度相關，可見采用3條垂線進行方案精簡后，大連冰峪溝站其測定的流速同樣可以滿足水文測驗的精度要求。

3.5 新的精簡算法流量誤差分析結果

分別采用2個水文測站垂線精簡方案后算得的流量與精測流量相比，其誤差符合規(guī)定時，即可用垂線的測點流速來代替斷面流速的方法測流，并作為常測方法。分別結合16份實測流量數(shù)據(jù)按新測法重新計算流量，統(tǒng)計精簡前后數(shù)值的相對誤差是否超過允許范圍，從而確定精簡結果。各站點2和3條垂線精簡方案的誤差分析結果見表2—5。

表2 岫巖站2條垂線精簡方案的測流誤差分析

表3 冰峪溝站2條垂線精簡方案的測流誤差分析

表4 岫巖站3條垂線精簡方案的測流誤差分析

表5 冰峪溝站3條垂線精簡方案下的測流誤差分析

選取的2個水文站均為3類精度站點，按照GB50179—2015對3類精度站點流量允許誤差的要求，采用2和3條垂線進行測驗方案精簡后，其流量誤差均可滿足允許誤差5%的要求，從表中還可以看出，采用2條垂線進行方案精簡時，各站點對比觀測誤差均值為±2.18%，而采用3條垂線進行精簡，2個站點對比觀測誤差均值為±1.61%，3條垂線精簡方案的精度要好于2條垂線精簡方案的測定精度，但2者精簡方式均可滿足流量測驗允許的誤差要求。

3.6 誤差最小統(tǒng)計分析結果

以2個站點測驗精簡方式對遼東地區(qū)各水文站點進行了水文測驗誤差統(tǒng)計，結果分別見表6—7。

表6 岫巖站流量誤差統(tǒng)計分析結果

表7 冰峪溝站流量誤差統(tǒng)計分析結果

可以看出用2個站點采用3條垂線平均流速代替斷面平均流速算出的流量誤差值最小，且其累計頻率為50%的誤差數(shù)值，即可視為系統(tǒng)誤差。根據(jù)以上方法統(tǒng)計出的系統(tǒng)誤差為1.2%<2%。滿足了常測法誤差界限，即分析的精簡方法切實可行。

4 結論

(1)遼東地區(qū)大部分屬于暴漲暴落的山區(qū)性河流，洪峰持續(xù)時間較短，在高水位條件下，由于測流時間過長，易錯失搶測洪峰時機，測到的流量精度也不夠準確。通過新精簡算法在高洪應急監(jiān)測時，測流時效性可提高30%，流量精度相比于傳統(tǒng)精簡算法提高15%。

(2)采用垂線精簡方法可以降低水文測驗人員的工作強度，提高測流效率，在實際測驗工作中，若測流斷面受大洪水影響發(fā)生較大沖淤變化時，還應加密垂線，待測驗資料累積到一定程度后，再開展測速垂線精簡，制定符合站點實際洪水情況下的常測和簡測方案。