孫學(xué)軍

(陜西省商洛水文水資源勘測(cè)局，陜西 商洛 726000)

水位～流量關(guān)系單值化是對(duì)水文測(cè)驗(yàn)方法的改革，解放了生產(chǎn)勞動(dòng)力，減輕了測(cè)站一線工作強(qiáng)度，也是改善職工工作方法的有效途徑。對(duì)需要實(shí)行巡測(cè)的水文站，必須在已有水文資料的基礎(chǔ)上，按現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195-2015)進(jìn)行單值化分析?！端难矞y(cè)規(guī)范》雖然對(duì)單值化分析提出一些技術(shù)要求和控制指標(biāo)，但具體到一個(gè)測(cè)站如何進(jìn)行分析卻沒有具體操作的程序。通過對(duì)柴坪水文站水位～流量關(guān)系單值化分析的實(shí)例，對(duì)單值化工作進(jìn)行摸索，逐步達(dá)到實(shí)現(xiàn)巡測(cè)的目的。

1 河流水系

旬河是漢江在秦嶺南坡的一條主要支流。河長(zhǎng)218.1 km，有“八百里旬河”之稱，由旬陽(yáng)縣城附近流入漢江，流域面積為6308.9 km2。在鎮(zhèn)安境內(nèi)流域面積1764.4 km2，比降3.96‰，長(zhǎng)度57.0 km。

發(fā)源于寧陜縣境內(nèi)沙溝鄉(xiāng)的甘溝腦，上游稱沙溝河。干流呈西北—東南向，與地層走向呈正交或斜交，基本上屬于峽谷，沿河兩岸山大、溝深、坡陡，上游河谷較窄，下游較寬。

支流較多，其中，長(zhǎng)度在25 km以上的支流有8條；流域面積在100 km2以上的支流有9條；長(zhǎng)度在10 km～25 km的干溝有21條；長(zhǎng)度1 km～10 km的支流有579條。主要支流有：東川河，流域面積396 km2，比降31.5‰，河道長(zhǎng)度43 km。沙溝河，流域面積106.0 km2，比降45.6‰，河道長(zhǎng)度30 km。月河，流域面積428 km2，比降26.9‰，河道長(zhǎng)度62 km。小仁河，流域面積199 km2，比降31.9‰，河道長(zhǎng)度44.8 km。達(dá)仁河，流域面積391 km2，比降21.9‰，河道長(zhǎng)度60.8 km。河床多為粗沙、卵石。

多年平均徑流量為107428萬m3，年平均流量27.0 m3/s，年平均輸沙量91.8萬t，年平均含沙量1.08kg/m3，年平均降水量797.2 mm。

2 資料選用

本次單值化分析選用柴坪水文站2010年～2016年實(shí)測(cè)資料共7年連續(xù)系列，共645個(gè)樣本系列，另選用了2002年高水資料(9次)對(duì)單值化線進(jìn)行了延長(zhǎng)。

選用資料情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 2010年～2016年資料系列選用情況統(tǒng)計(jì)表

3 分析方法

按照《水文巡測(cè)規(guī)范》水位～流量關(guān)系為單一線的測(cè)站，可根據(jù)豐水年、平水年、枯水年的多年綜合水位～流量關(guān)系曲線，以高水位、中水位、低水位分組，從各組中按照水位分級(jí)關(guān)系抽取實(shí)測(cè)關(guān)系數(shù)據(jù)，并定成水位～流量關(guān)系曲線。進(jìn)行定線誤差分析，三項(xiàng)檢驗(yàn)，然后用這些水位～流量關(guān)系曲線推算各種時(shí)段量與精簡(jiǎn)前歷年綜合水位～流量關(guān)系曲線推算的各種相應(yīng)時(shí)段量，相比既可求得該精簡(jiǎn)測(cè)次數(shù)各種時(shí)段量的隨機(jī)數(shù)據(jù)系列，并進(jìn)行誤差分析。

3.1 流量測(cè)次精簡(jiǎn)原則

根據(jù)《水文巡測(cè)方案》實(shí)行巡測(cè)的水文站，水位～流量呈單一線，應(yīng)根據(jù)水流特性，測(cè)站控制條件、測(cè)驗(yàn)精度，定線推流要求。

3.2 相對(duì)誤差計(jì)算方法

流量相對(duì)誤差按照《水文巡測(cè)規(guī)范》4.4.6規(guī)定:

(1)

相對(duì)誤差均值按照下式計(jì)算：

(2)

3.3 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方法

(3)

(4)

置信度水平95%的相對(duì)隨機(jī)不確定度應(yīng)按式(5)計(jì)算：

X=2Se

(5)

式中：Se為相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，%；X為相對(duì)隨機(jī)不確定度，%。

3.4 時(shí)段總量的推流誤差計(jì)算

(6)

式中：W為采用分析簡(jiǎn)化的關(guān)系線推求的時(shí)段總量，104m3或108m3；WC為采用與推求W相應(yīng)的分析簡(jiǎn)化前的原定關(guān)系線推求的時(shí)段總量，104m3或108m3；δw為W與WC的相對(duì)誤差，%。

4 資料單值化分析

按《水文巡測(cè)規(guī)范》規(guī)定，水位～流量關(guān)系點(diǎn)據(jù)密集，分布呈帶狀，并無明顯偏離，系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值二、三類精度的水文站不大于2%(各類精度的水文站的比降—面積法定線系統(tǒng)誤差可放寬1%)，且實(shí)測(cè)關(guān)系點(diǎn)據(jù)與關(guān)系線間的定線誤差不大于表2允許誤差者，可定單一線[2]。

表2 單一線允許隨機(jī)不確定度

依據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》4.4.3條文，應(yīng)用連續(xù)5年以上的資料系列，包括豐水年、中水年和枯水年的水文資料；在各級(jí)水位用于計(jì)算誤差的樣本數(shù)量不應(yīng)少于30個(gè)。若高水樣本數(shù)不足30個(gè)，但高中水位級(jí)之間資料連續(xù)平緩變化的，可把高、中水合并統(tǒng)計(jì)[3]。

4.1 綜合線成果(2010～2016)年

本次分析選用2010年～2016年柴坪水文站實(shí)測(cè)資料，應(yīng)用連續(xù)7年連續(xù)資料合并定線進(jìn)行分析。

柴坪站水位Z≥8.97 m，Q≥100 m3/s時(shí)，經(jīng)過合并定線滿足要求，范圍在(100 m3/s～2600 m3/s)之間關(guān)系穩(wěn)定，大于2600 m3/s由于測(cè)點(diǎn)較少，與2002年大水資料不在一個(gè)系列，建議Q≥2600 m3/s時(shí)應(yīng)加密測(cè)次獲取高水的樣本資料。

經(jīng)分析Q≥100 m3/s，擬定綜合單一線，經(jīng)檢驗(yàn)通過，僅有4次超過13%，最大15.3%，系統(tǒng)誤差0.1%、隨機(jī)不確定度9.0。經(jīng)分析均為浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)、依據(jù)規(guī)范可放寬至16%。130 m3/s≤Q時(shí)綜合線不能滿足要求；2010年～2013年可定綜合單一線，利用綜合單一線推流分別與2011年、2012年、2013年、2014年比較，逐年或滑動(dòng)定線分析成果可行性。經(jīng)分析2011年整編成果與綜合線成果比對(duì)，年徑流量誤差0.8%，2012年整編成果與綜合線成果比對(duì)，年徑流量誤差0.8%，2013年整編成果與綜合線成果比對(duì)，年徑流量誤差4.1%，2014年整編成果與綜合線成果比對(duì)，年徑流量誤差0.0%。

2015年、2016年為一個(gè)趨勢(shì)、Q≥100 m3/s，可單值化定線，Q<100 m3/s，關(guān)系較亂，待進(jìn)一步分析。

水位～面積關(guān)系綜合多項(xiàng)式y(tǒng)=-4E-14x5+2E-11x4+2E-08x3-2E-05x2+0.0123x+7.9892回歸方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.9861。

水位～流速關(guān)系綜合多項(xiàng)式y(tǒng)=-0.0018x4+0.1196x3-0.4309x2+1.1897x+7.9443回歸方程，相關(guān)系數(shù)R2=0.9763。

4.2 滑動(dòng)定線(3年滑動(dòng)定線成果分析)

本次分析采用2010年～2016年柴坪水文站實(shí)測(cè)資料，應(yīng)用連續(xù)3年連續(xù)資料逐年滑動(dòng)，資料總年數(shù)不變的方法進(jìn)行分析。

經(jīng)水位～流量關(guān)系單值化方法處理后關(guān)系點(diǎn)據(jù)分布呈帶狀，系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值一類精度的水文站不大于2%，二類、三類精度的水文站不大于3%，且單值化處理的關(guān)系點(diǎn)據(jù)與單值化關(guān)系線間的定線誤差不大于表3允許誤差，可定單值化關(guān)系線[3]。

依據(jù)規(guī)范應(yīng)用2010年～2012年，2011年～2013年、2012年～2014年聯(lián)系三年數(shù)據(jù)分析，可定單一線其中2010年～2012年、2011年～2013年為一條線，滿足單一線要求；2012年～2014年為一個(gè)系列(低水略有調(diào)整)，滿足單一線要求；2015年、2016年受河槽控制、沖淤變化等綜合因素影響，小于100 m3/s流量不能滿足單一線要求。

5 結(jié)論

柴坪站測(cè)驗(yàn)斷面相對(duì)穩(wěn)定，分析年2010年～2016年，2010年～2016年斷面穩(wěn)定，2015年由于修路6月～7月斷面施工圍堰，造成斷面變化，這期間施測(cè)流量(31～42次)與以前形成兩個(gè)系列。8月份以后修路停止，隨著河流漲水，斷面逐漸恢復(fù)原來面貌，所施測(cè)的流量也漸漸回歸到原系列。

資料選用：2010年～2016年7年實(shí)測(cè)流量資料，2002年Q≥500 m3/s資料作為參考，延長(zhǎng)綜合曲線，不做不確定度計(jì)算。

最大實(shí)測(cè)流量2011年水位12.29 m、流量2020 m3/s，2002年水位15.15 m、流量4560 m3/s。

由于2015年6月～7月河道內(nèi)修建水位塔，斷面修圍堰，當(dāng)年31～42次流量偏小，不是同系列，舍去。

柴坪站綜合關(guān)系線穩(wěn)定，Q≥100 m3/s為綜合單一線，最大誤差在15.3%；Q<100 m3/s，多年綜合點(diǎn)子較散亂，汛前汛后分叉，呈掃把形，主要由斷面沖淤造成。

1)柴坪站在Z≥8.97 m，Q≥100 m3/s時(shí)，按綜合關(guān)系線推流，每年不定期實(shí)測(cè)4～5份流量檢驗(yàn)綜合線。

2)柴坪站在Z<8.97 m，Q<100 m3/s時(shí)，應(yīng)再進(jìn)行分析率定；

3)Q≥2600 m3/s時(shí)，洪水出槽，考慮利用天然中弘浮標(biāo)，洪水調(diào)查分析綜合得出。

4)流量大于100 m3/s時(shí)可測(cè)取3～5個(gè)點(diǎn)子對(duì)綜合線進(jìn)行校核，若實(shí)測(cè)流量點(diǎn)子系統(tǒng)較大偏離綜合線，應(yīng)立即恢復(fù)正常測(cè)驗(yàn)，重新率定修正綜合關(guān)系線。