阿依登別克·木拉提別克

(阿勒泰水文勘測(cè)局，新疆 阿勒泰 836599)

0 前 言

水文測(cè)站常用流量測(cè)定的方法為布設(shè)測(cè)流垂線，結(jié)合流速儀對(duì)不同測(cè)流垂線的斷面平均流速進(jìn)行推求，并結(jié)合測(cè)深垂線確定的過水面積，一般采用面積包圍法進(jìn)行流量的計(jì)算[1]。

按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015要求當(dāng)水面寬度低于50m布設(shè)的測(cè)流垂線的條數(shù)不宜低于5條，尤其是在高洪時(shí)期為有效控制整個(gè)洪水過程，需要加密洪水期測(cè)流垂線的條數(shù)[2]。測(cè)流垂線條數(shù)較多的情況下，測(cè)流的時(shí)效性很難得到有效保證，對(duì)于突發(fā)洪水，測(cè)流數(shù)據(jù)的時(shí)效性是防洪決策的重要依據(jù)，因此當(dāng)前，對(duì)于河道流量測(cè)驗(yàn)的精簡(jiǎn)方案在許多地區(qū)水文測(cè)站進(jìn)行可行性探討，這些研究成果表明，通過對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)，建立簡(jiǎn)化測(cè)流垂線和傳統(tǒng)測(cè)流垂線之間的相關(guān)方程，選取相關(guān)系數(shù)較好的3-5條測(cè)流垂線，在高洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)中可以基本滿足流量的測(cè)驗(yàn)精度[3-6]。近些年來，隨著水文測(cè)驗(yàn)方式的不斷改革和創(chuàng)新，水文測(cè)流時(shí)效性也逐步成為關(guān)注熱點(diǎn)，而測(cè)流方式的簡(jiǎn)化可有效降低測(cè)站人員水文測(cè)驗(yàn)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高測(cè)流時(shí)效性[7-10]。阿勒泰地區(qū)水文測(cè)站已逐步開展測(cè)流方式精簡(jiǎn)的對(duì)比試驗(yàn)，為此文章從測(cè)站工作實(shí)際出發(fā)，對(duì)阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站的測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案進(jìn)行對(duì)比分析，從而探討方案的可行性。

1 測(cè)流垂線布設(shè)方式

不同類型水文站按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求主要的布設(shè)方式為：

1)對(duì)于可行進(jìn)行測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案的水文測(cè)站應(yīng)在多條測(cè)流垂線進(jìn)行施測(cè)分析的基礎(chǔ)上，開展測(cè)流條數(shù)的精簡(jiǎn)對(duì)比，探討精簡(jiǎn)方案下的測(cè)流最優(yōu)數(shù)目。

2)為有效減少測(cè)流條數(shù)對(duì)流量測(cè)定隨機(jī)及系統(tǒng)誤差的影響，對(duì)不同測(cè)流垂線之間的間距進(jìn)行合理設(shè)置，不同水位條件下各測(cè)流垂線之間的間距應(yīng)嚴(yán)格按照不同類別水文站要求進(jìn)行設(shè)定，一類、二類、三類水文測(cè)站其總的水面寬度與間距的比例分別為7%-10%、8%-11%以及9%-12%。

3)對(duì)于河流漫灘范圍較大以及寬度和深度比例較高的水文站測(cè)驗(yàn)斷面，或者河床組成復(fù)雜的水文測(cè)站中泓觀測(cè)斷面，應(yīng)盡量增加測(cè)驗(yàn)斷面測(cè)流垂線的數(shù)目，滿足流量測(cè)驗(yàn)的誤差要求。

4)對(duì)于水文情勢(shì)變化較大且未進(jìn)行測(cè)流垂線精簡(jiǎn)分析的水文站點(diǎn)，不能采用少線少點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)流時(shí)，應(yīng)按照站點(diǎn)的實(shí)際測(cè)驗(yàn)情況，進(jìn)行測(cè)流數(shù)條數(shù)精簡(jiǎn)方案分析，當(dāng)水面寬度低于50m時(shí)測(cè)流條數(shù)一般不少于5條，其精簡(jiǎn)方案下的測(cè)流誤差不高于浮標(biāo)法的測(cè)流誤差。

5)對(duì)于河道主要水流方向或者河床較為不穩(wěn)定的測(cè)驗(yàn)斷面，測(cè)流垂線的數(shù)目不宜太少，在流速脈動(dòng)更高的區(qū)域，應(yīng)盡量不布設(shè)測(cè)流垂線，在河道主要水流方向盡量多布設(shè)測(cè)流垂線的數(shù)目。

2 誤差分析方法

采用對(duì)比觀測(cè)方式對(duì)測(cè)流垂線的誤差進(jìn)行分析，首先對(duì)水文站所在的河段地形、橫斷面、橫向流速分布以及水位流量進(jìn)行整理和分析，制定研究站點(diǎn)的測(cè)流垂線精簡(jiǎn)比測(cè)分析的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案應(yīng)針對(duì)不同水位級(jí)下進(jìn)行測(cè)流垂線的均勻分布，在較為穩(wěn)定的水流條件下開展測(cè)流垂線的精簡(jiǎn)分析，在進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)水位變化幅度需要結(jié)合站點(diǎn)的類別進(jìn)行設(shè)定，一類水文站其水位變幅應(yīng)低于0.1m，二類以及三類水文站其水位變幅應(yīng)低于0.3m，不同水位級(jí)別測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案下測(cè)流的次數(shù)不應(yīng)低于20次，洪水期間測(cè)流垂線精簡(jiǎn)對(duì)比試驗(yàn)分析難度較大，因此應(yīng)在水流較為穩(wěn)定的時(shí)期進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)分析，水文測(cè)站測(cè)驗(yàn)斷面水面寬度下的誤差分析分類如表1所示。

表1 不同水面寬度下的誤差分類標(biāo)準(zhǔn)

3 測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案對(duì)比結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方法

以新疆阿勒泰地區(qū)的群庫勒水文站為實(shí)例，探討其測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案的可行性，精簡(jiǎn)垂線方案下的的水位面積按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的要求進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)的方法為對(duì)比精簡(jiǎn)和傳統(tǒng)測(cè)流方式進(jìn)行同步觀測(cè)，對(duì)兩種方式下的流量進(jìn)行分別測(cè)定，將測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案下的群庫勒水文站流量測(cè)定值和傳統(tǒng)測(cè)流垂線方式下的水位-流量關(guān)系曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2 測(cè)深垂線布設(shè)誤差檢驗(yàn)

分別對(duì)傳統(tǒng)測(cè)深垂線方案和精簡(jiǎn)測(cè)深垂線方案下的水位-流量關(guān)系按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的要求進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示。

表2 傳統(tǒng)測(cè)深垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

表3 精簡(jiǎn)測(cè)深垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

從傳統(tǒng)測(cè)流垂線方案下和精簡(jiǎn)測(cè)流垂線方案下的群庫勒水文站測(cè)定的相同水位量級(jí)下的水位-流量關(guān)系曲線分析結(jié)果可看出，兩種方法測(cè)定的各測(cè)次標(biāo)準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)不確定度均為《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的流量測(cè)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，因此在群庫勒水文站進(jìn)行高洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)可采用測(cè)流垂線精簡(jiǎn)方案進(jìn)行測(cè)流條數(shù)的精簡(jiǎn)，一般可精簡(jiǎn)到4-5條測(cè)深垂線，以提高測(cè)流的時(shí)效性。

3.3 測(cè)速垂線的布設(shè)誤差檢驗(yàn)

在測(cè)深精簡(jiǎn)方案探討的基礎(chǔ)上，分別對(duì)傳統(tǒng)測(cè)速垂線布設(shè)和精簡(jiǎn)測(cè)速垂線布設(shè)方案下的水位-流量關(guān)系誤差進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 傳統(tǒng)測(cè)速垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

表5 精簡(jiǎn)測(cè)速垂線方式下的群庫勒水文站水位-流量關(guān)系誤差檢驗(yàn)結(jié)果

從傳統(tǒng)測(cè)速垂線方案下和精簡(jiǎn)測(cè)速垂線方案下的群庫勒水文站測(cè)定的相同水位量級(jí)下的水位-流量關(guān)系曲線分析結(jié)果可看出，兩種方法測(cè)定的各測(cè)次標(biāo)準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差以及隨機(jī)不確定度均為《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的流量測(cè)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，因此在群庫勒水文站進(jìn)行高洪應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)可采用測(cè)速垂線精簡(jiǎn)方案進(jìn)行測(cè)速垂線條數(shù)的精簡(jiǎn)，一般可精簡(jiǎn)4條測(cè)速垂線，以提高測(cè)速的時(shí)效性。

4 精簡(jiǎn)方案下的流量誤差分析

對(duì)兩種方案下的流量測(cè)定誤差進(jìn)行不同累積誤差頻率的分析，分析結(jié)果如表6所示。

表6 兩種測(cè)驗(yàn)方案下的群庫勒水文站流量測(cè)定累積誤差分析結(jié)果

在誤差累積頻率分別為65%和75%下傳統(tǒng)測(cè)深垂線和精簡(jiǎn)測(cè)深垂下方案下群庫勒水文站的誤差值均滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》GB50179-2015的誤差允許范圍要求，傳統(tǒng)測(cè)深垂線布設(shè)方案下的誤差要好于精簡(jiǎn)測(cè)深垂線的誤差分布累積值。在群庫勒水文站兩種測(cè)速方案下其累積頻率誤差值也可滿足流量測(cè)驗(yàn)的規(guī)范要求，可見在群庫勒水文站進(jìn)行測(cè)深和測(cè)速精簡(jiǎn)組合方案下其可以滿足站點(diǎn)的流量測(cè)定精度的要求。

5 對(duì)比分析結(jié)論

1)采用測(cè)深和測(cè)速垂線精簡(jiǎn)組合方式下，群庫勒水文站對(duì)比觀測(cè)的水位-流量關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)誤差、系統(tǒng)誤差以及不確定度均在誤差允許范圍內(nèi)，在群庫勒水文站進(jìn)行應(yīng)急洪水監(jiān)測(cè)時(shí)，可結(jié)合實(shí)際洪水情況進(jìn)行精簡(jiǎn)方案的流量施測(cè)，提高流量測(cè)定的時(shí)效性。

2)采用精簡(jiǎn)測(cè)驗(yàn)方案下可以降低測(cè)站人員工作強(qiáng)度，提高洪水監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，但在洪水監(jiān)測(cè)期若來水變化較大，斷面沖淤變化幅度較高時(shí)還需要對(duì)測(cè)流垂線進(jìn)行加密觀測(cè)，等同步對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)度較多時(shí)，再進(jìn)行測(cè)流垂線的精簡(jiǎn)方案分析，制定群庫勒水文站最佳的精簡(jiǎn)測(cè)洪方案。