劉戰(zhàn)勝

（寶雞水文水資源勘測中心,陜西 寶雞 721006）

1 概況

1.1 測站概況

益門鎮(zhèn)水文站建于1955 年5 月,為秦嶺北麓地區(qū)渭河右岸一級支流區(qū)域代表站,屬省級重要站,二類精度水文站。該站地處寶雞市渭濱區(qū)神農鎮(zhèn)益門堡村,集水面積219 km2,距河口5.4 km。河道縱比降較大,河水漲落起伏較快,流速大。建站以來實測最大流量733 m3/s,發(fā)生于1981.8.21。監(jiān)測項目有水位,流量,泥沙,降水量,墑情等。

1.2 測驗河段及斷面情況

本站測驗河段順直,河床由沙卵石組成,形狀呈“U”型,左岸為自然河堤,右岸河堤為人工堤防,上游約150 m處有石拱橋一座。測驗河段共布設上、中、下五個測驗斷面,基本水尺斷面兼流速儀測流斷面及浮標中斷面,上下比降斷面間距200 m,上下浮標斷面間距100 m?；緮嗝婧訉?8 m,斷面沖淤變化較小,測站控制穩(wěn)定。

益門鎮(zhèn)站近年來測驗河段、河床及河道相對穩(wěn)定,流態(tài)平穩(wěn),斷面內無分流串溝現象,主流位置穩(wěn)定,斷面流速分布相對均勻,流速關系受水位變化因素較少,滿足使用單一的代表流速關系推求斷面平均流速。益門鎮(zhèn)站2020 年實測大斷面圖見圖1。

圖1 益門鎮(zhèn)站2020年實測大斷面圖

1.3 水文測驗設施

本站在基本斷面架設水文測流纜道1 套,纜道測洪能力為 264 m3/s（5 年一遇）,纜道行車架上裝有雷達流速儀1 套,當出現超標洪水流量時、可采用水文纜道、雷達流速儀、浮標及比降面積等方法進行測流。

2 分析的緣由

由于清姜河屬山溪性河流,洪水一般來勢較猛,陡漲陡落,洪水時測速歷時較長,搶測洪水時要按多線多點法布設測速垂線、施測多條垂線流速,就會增加一定的人力、物力和時間,難以把握搶測洪水有效時機。

為確保在較大洪水時,測得及時、測得準確,收集益門鎮(zhèn)站2020 年全年實測流量記載資料,根據每條測速垂線與斷面平均流速進行資料對比分析,對起點距30.0 m~40.0 m處的4 條測速垂線流速與斷面平均流速進行穩(wěn)定性分析,尋找代表性垂線。

3 資料分析

3.1 分析方法

根據2020 年益門鎮(zhèn)站實測的109 份實測流量資料,將全年實測流量起點距29.0 m~50.0 m范圍內施測的起點距29.0 m、30.0 m、31.0 m、33.0 m、34.0 m、35.0 m、36.0 m、37.0 m、39.0 m、40.0 m、42.0 m、45.0 m、48.0 m、50.0 m的14 條垂線實測資料進行統(tǒng)計,通過對比分析選用垂線測次達67 次以上、流速相對穩(wěn)定的起點距30.0 m、33.0 m、35.0 m、40.0 m四條主流測速垂線參加代表垂線流速~斷面平均流速進行相關分析、檢驗及誤差評定,從而檢驗評定所選用的垂線流速與斷面平均流速的相對誤差及標準差、系統(tǒng)誤差是否符合整編的各項技術參數,最終確定出符合精度及質量要求的代表垂線。

3.2 資料選用

1）本次分析資料選用益門鎮(zhèn)水文站2020 年1 月~12 月全年測流111 次（流速儀法109 次、浮標法2 次）［1］,本次分析計算值均為流速儀法測次。流速儀法實測最大流量165 m3/s（相應水位638.97 m）、最小流量 0.361 m3/s （相應水位636.75 m）。選用資料符合水文測驗技術及規(guī)范要求,資料成果已通過整編、真實可靠、滿足分析要求。

2）參加分析的所有測次均符合《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-2015）規(guī)定要求,測深測速點無異常,對應測次的流量資料均加入年度資料整編,無舍棄點。

3）全年流量測速垂線在起點距29.0 m~50.0 m范圍內,對109 次流速儀實測的流量資料（其中在35.0 m處測速垂線73 次）全部進行分析計算,確保數據分析中所取資料的全面性、代表性、一致性。

3.3 分析依據

1）依據水利部水文局編寫的《水文測驗》教材中“代表流速關系線一般為整體或分段的一次方程式,也可是整體的一元二次方程式,對于復雜情況應分段定線,但不應采取3 次以上的方程式。截距C的值一般不要超過0.05 m/s”［2］規(guī)定。在關系線定線中依據本條規(guī)定,分別試算不同的定線方法,最終選用C值較小,R值近似1.0 的二次方程式作為分析的關系線。Vc=A×Vt2+b×Vt+C（式中Vc為斷面平均流速；Vt為代表流速；A、B、C為經驗系數,由計算確定）。

2）依據陜西省水文水資源勘測局2001 年《水文資料整編規(guī)范》（補充規(guī)定）中對水位流量關系定線精度指標：“關系點分布成一帶狀,無明顯系統(tǒng)偏離,75%以上的點子與關系曲線的偏離相對誤差限度（二類精度水文站,流速儀法高中水不超過±8%,低水及水面浮標法不超過±11%）”［3］。

3.4 流速垂線相關分析

3.4.1 相關關系圖繪制

根據實測的起點距30.0 m、33.0 m、35.0 m、40.0 m四條測速垂線與斷面平均流速繪制相關關系圖,得出各起點距的相關關系,見圖2。

圖2 各起點距的相關關系圖

從圖2 中可以看出起點距30.0 m~40.0 m四條測速垂線的相關關系R值為0.994~0.999,接近于1.0,說明4 條垂線其相關關系良好,滿足相關規(guī)定的誤差要求。

3.4.2 相對誤差及累計頻率分析

對起點距30.0 m~40.0 m四條測速垂線相關擬合方程推算出其相關的垂線流速,計算其相關流量及流量的相對誤差,然后將換算后的流量相對誤差按照從小到大的順序進行排序,進行相對誤差分析及累積頻率分析,起點距35.0 m各項誤差分析見表1~表2 （其余3 條垂線計算表1 略）。

表1 益門鎮(zhèn)站起點距35.0 m垂線與斷面流速、流量、累積頻率計算表

表2 益門鎮(zhèn)站起點距30.0 m~40.0 m測速垂線誤差分析一覽表

續(xù)表1

續(xù)表2

從表2 可以看出起點距30.0 m、33.0 m、40.0 m累積頻率達75%及95%以上的相對誤差均不能滿足陜西省水文局資料整編（補充規(guī)范）中對二類精度水文站規(guī)定的誤差要求。僅有35.0 m測速垂線滿足該項誤差要求。

3.4.3 關系曲線檢驗

依據建立的線性相關關系,由回歸方程推算出的垂線平均流速,計算出相應流量,與實測流量進行誤差計算,進行相關關系合理性檢驗,關系曲線檢驗結論見表3。

表3 益門鎮(zhèn)站起點距30.0 m~40.0 m測速垂線各項檢驗一覽表

通過對4 條測速垂線計算的相關流量,分別與實測流量進行符號檢驗、適線檢驗、偏離數值檢驗,三種檢驗結果為起點距30.0 m檢驗均不合格,其余3 條垂線均通過三項檢驗,且系統(tǒng)誤差均小于±1%,但33.0 m、40.0 m 2 條垂線隨機不確定度均略大于規(guī)范誤差要求的水位流量單一曲線法定線二類站精度±10%要求［4］。起點距35.0 m各項指標均符合定線精度各項檢驗要求,可作為代表垂線作為本站斷面平均流速的流量測驗。

4 結論與建議

4.1 結論

1）通過以上綜合分析,起點距35.0 m符合各項誤差分析及評定,可作為代表流速垂線計算斷面平均流速,推算斷面流量。其相關關系公式為：

式中：Vt代表垂線平均流速,m/s；Vc代表斷面平均流速,m/s。

當水位在638.97 m以下時,起點距35.0 m處測速垂線可作為代表垂線作為斷面平均流速的流量測驗,滿足本站流量測驗精度要求。對于超過該水位時,應及時恢復流量測驗,待積累一定資料后再重新進行分析。

2）當水位測驗超出外延控制線時應及時恢復全斷面流量測驗,并及時補充比測。對于超過分析水位的關系線,定線時外延幅度不應超過±10%。

4.2 建議

1）代表流速法施測期間,流速測驗方法應與原測流方案及測驗方法和儀器設備保持一致,確保代表流速關系使用的一致性和測驗資料的可靠性。

2）洪水測流期間,如發(fā)現河床及測驗斷面有明顯的變化時,應及時進行關系線的檢驗及校測。代表流速關系受到影響時應及時恢復常測法流量測驗。

3）代表流速關系線應每年進行檢驗和率定。經連續(xù)3 年以上率定關系線偏離均不超過5%時,可改為2~3 年率定一次,但每年都必須進行檢驗。

4）本次分析的水位級636.75 m~638.97 m,幅度較低,今后應加強638.97 m以上水位的流量測驗資料收集,逐步提高流速儀代表垂線的測驗幅度。