王 磊，王海榮

(1.黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省臨洮水文站，甘肅 臨洮 730500)

0 引言

黃河河源區(qū)地廣人稀[1]，站點(diǎn)稀疏，條件艱苦，開(kāi)展水文測(cè)驗(yàn)的難度較大。黃河站是黃河第一支流熱曲的控制站，地處青藏高原河源區(qū)，海拔高(4 200 多米)、氣候寒冷、空氣中含氧量極低、交通不便，職工工作生活條件很差，由于流量測(cè)驗(yàn)方法較為傳統(tǒng)，加之黃河站距離瑪多巡測(cè)基地較遠(yuǎn)，所以流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)較重，黃河站非汛期流量測(cè)驗(yàn)方式已經(jīng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，多年使用情況良好，并且黃河站沒(méi)有泥沙測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目。2019年9月18日習(xí)近平總書(shū)記在鄭州座談會(huì)時(shí)提出；“黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展”重大國(guó)家戰(zhàn)略時(shí)講到：“改善黃河流域生態(tài)環(huán)境要系統(tǒng)治理、源頭治理，在‘中華水塔’的青海、在黃河源頭做好工作尤為重要”[2]。在科技高速發(fā)展的今天，新型水文測(cè)報(bào)儀器在黃河源區(qū)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，逐漸滿(mǎn)足巡測(cè)需求。為了解放生產(chǎn)力、改善職工工作生活條件、減少人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，黃河水利委員會(huì)上游水文水資源局把黃河源區(qū)水文測(cè)驗(yàn)全面巡測(cè)工作提上日程的時(shí)候，黃河站流量測(cè)驗(yàn)方案的優(yōu)化、簡(jiǎn)化十分必要。

1 基本情況

1.1 測(cè)站概況

黃河站由黃河水利委員會(huì)于1978年8月設(shè)立為基本水文站，是黃河支流熱曲的控制站，屬三類(lèi)精度水文站，位于青海省國(guó)家自然保護(hù)區(qū)瑪多縣黃河鄉(xiāng)。地理坐標(biāo)位置：東經(jīng)98°16′04.7″、北緯34°36′06.3″，集水面積為 6 446 km2，實(shí)測(cè)資料系列為1980-2020年。屬高原大陸半濕潤(rùn)氣候，高寒缺氧、冰期時(shí)間長(zhǎng)，多年平均降水量300 mm，年平均氣溫-4℃，是黃河上游最艱苦的水文站之一，交通、通訊條件差。

1.2 河道及水文特性

測(cè)驗(yàn)河段基本順直，對(duì)水流有較好控制，基本水尺斷面上游350 m為熱姜大橋，下游1 km 處有彎道，彎道處有一淺灘，對(duì)水流影響不大?；霞s1km處左岸有黑河匯入，2 km處有一支溝加入，雨季有水，但對(duì)本站流量影響不大。本站河床由粗砂組成，河床穩(wěn)定，基本水尺斷面以上兩岸岸坡較陡，草皮覆蓋。中低水?dāng)嗝鏇_淤變化較小，斷面穩(wěn)定，高水時(shí)變化較大，漲沖落淤?；?00 m、基下100 m為比降上、下斷面，基上350 m、基下250 m為浮標(biāo)上、下斷面。屬山溪性河流，水位、流量變化不大，該站處于黃河流域高緯度地區(qū)，氣溫較低，大水主要發(fā)生在6-9月，其余時(shí)間流量大多在50 m3/s 以下，水位平穩(wěn)。該站水位～流量關(guān)系多為單一線(xiàn)，關(guān)系較為穩(wěn)定。

1.3 測(cè)報(bào)設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀及測(cè)驗(yàn)方式方法

1.3.1 設(shè)施設(shè)備現(xiàn)狀

黃河站測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有降水量、水位、水溫、流量?；娌捎?1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)?；舅咴O(shè)于左岸，為直立式水尺，角鋼，水泥底座，5支，控制水位變幅4 202.81～4 205.96 m，用于人工觀測(cè)水位。上比降為直立水尺位于左岸基上100 m；下比降為直立水尺位于左岸基下100 m，基本斷面和基上100 m右岸設(shè)雷達(dá)水位計(jì)。流量測(cè)驗(yàn)有流速儀、浮標(biāo)、ADCP、RG-30測(cè)流系統(tǒng)。

1.3.2 測(cè)驗(yàn)方式方法

水位：(1)基本水尺，設(shè)于左岸，采用直立式水尺，人工觀測(cè)，水位控制范圍4 202.81～4 205.96 m；(2)雷達(dá)水位計(jì)，設(shè)于基本水尺斷面右岸，水位控制范圍4 202.76～4 205.16 m。非汛期采用巡測(cè)，4月、11月每月巡測(cè)2次，1-3月、12月每月巡測(cè)1次。流量：(1)用走航式ADCP(當(dāng)含沙量小于 5 kg/m3時(shí)適用)進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，ADCP三體船用水文纜道拖拽。(2)用水文鉛魚(yú)纜道進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。汛期的5-10月，每月測(cè)流2～3次，按水位變化均勻布置測(cè)次，年測(cè)次不得少于20次，當(dāng)出現(xiàn)較大的洪峰過(guò)程時(shí)應(yīng)增加測(cè)次。當(dāng)水流情況發(fā)生明顯變化，改變了水位流量關(guān)系時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加測(cè)次。非汛期4月、11月每月測(cè)流2次，1-3月、12月每月測(cè)流1次。浮標(biāo)在發(fā)生大洪水時(shí)采用；RG-30測(cè)流系統(tǒng)正在調(diào)試比測(cè)中。

1.4 水文特征值

根據(jù)1980-2020年實(shí)測(cè)水文資料統(tǒng)計(jì)，黃河站多年平均降水量為325.8 mm，最大年降水為576.5 mm(2009 年)，最小年降水為189.3 mm(1988年)；最大日降水45.0 mm(1994年8月16日)。黃河站多年平均徑流量為6.04億 m3，5-10月多年平均徑流量為3.37億 m3；最大年徑流量為14.05億 m3(2009年)，最小年徑流量為2.153億 m3(1995年)；最大流量 640 m3/s(2007年6月21日)，最小流量為 0.14 m3/s(1991年1月1日)。

2 資料的選用

本研究選用具有代表性、一致性和可靠性的實(shí)測(cè)資料和整編成果資料，進(jìn)行水位級(jí)劃分，確定低水、中水和高水；套匯歷年水位流量關(guān)系曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)歷年水位流量關(guān)系曲線(xiàn)的分析，該站各年份水位流量關(guān)系均呈單一線(xiàn)，年內(nèi)關(guān)系穩(wěn)定，低水部分相對(duì)較為集中，中、高水分成兩個(gè)系列，2015年前后水位流量關(guān)系線(xiàn)相比較有明顯的系統(tǒng)偏離，此形成原因?yàn)?015年前測(cè)流方式為基上350 m處橋上懸桿測(cè)流，由于橋墩等外界不確定因素的影響，橋上測(cè)流存在一定誤差，在2016開(kāi)始基上100 m處纜道測(cè)流后，逐漸形成穩(wěn)定水位流量關(guān)系。所以所有實(shí)測(cè)資料系列無(wú)法建立歷年綜合水位流量關(guān)系線(xiàn)，根據(jù)《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195-2015)第4.2.6條規(guī)定[3]，所以本次優(yōu)化分析選用資料為2016-2020年共5年的水文資料，分析的時(shí)段為每年5～10份。

3 斷面沖淤變化分析

3.1 同水位下面積分析

黃河站河床由粗砂組成，河床穩(wěn)定，基本水尺斷面以上兩岸岸坡較陡，草皮覆蓋。中低水?dāng)嗝鏇_淤變化較小，斷面穩(wěn)定，高水時(shí)變化較大，漲沖落淤。本次優(yōu)化分析，選擇斷面水位為4 204.40 m(相應(yīng)流量約為80.7 m3/s，該水位下平均斷面面積為83.5 m2)計(jì)算在同一水位下的面積。黃河站2016-2020年測(cè)流斷面為基上100 m處斷面，繪制基上100 m測(cè)流斷面同水位(4 204.40 m)時(shí)計(jì)算的面積變化過(guò)程，詳見(jiàn)圖1。

圖1 黃河站基上100 m測(cè)流斷面同水位(4 204.40 m)時(shí)面積變化圖

從圖1可以看出，2016年面積為75.5 m2，偏小于均值9.60%；2017年面積為82.2 m2，偏小于均值1.58%；2018年面積為76.1 m2，偏小于均值8.88%；2019年面積為84.1 m2，偏大于均值0.69%；2020年面積為99.7 m2，偏大于均值19.4%。發(fā)現(xiàn)2016-2018年偏小，2019、2020年偏大，但總體上沖淤相互抵消，基本上處于平衡狀態(tài)。

3.2 大斷面圖套繪分析

黃河站2016-2020年，斷面各垂線(xiàn)最大沖淤變化出現(xiàn)在右岸105 m處，其值為1.70 m，斷面沖淤變化計(jì)算詳見(jiàn)表1。主流河床部分年際間的最大沖淤變化在0.24～1.70 m 之間，詳見(jiàn)圖 2。

表1 黃河站2016-2020年斷面沖淤變化計(jì)算表

圖2 黃河站歷年大斷面套繪圖(基上100m流速儀測(cè)流斷面)

4 水位流量關(guān)系曲線(xiàn)分析

4.1 水位分級(jí)

黃河站實(shí)測(cè)歷史最低水位為4 203.51，最高水位為4 206.06 m，采用《水文站測(cè)驗(yàn)方式方案編制技術(shù)導(dǎo)則》(黃水測(cè)〔2013〕39 號(hào))1.0.7條進(jìn)行劃分[4]，確定當(dāng)水位在4 204.15 m以下時(shí)為低水，流量為10.6 m3/s，水位在4 205.32 m以上為高水，流量為276 m3/s。占?xì)v年水位變幅(2.55 m)80%以上。

4.2 歷年綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)分析

將2016～2020年5年的水位流量關(guān)系曲點(diǎn)繪相應(yīng)的單一線(xiàn)，通過(guò)計(jì)算，各相鄰年份關(guān)系線(xiàn)間的偏離值均較小，高水最大偏離值0.0%以?xún)?nèi)、中水最大偏離值在6.6%以?xún)?nèi)。從而說(shuō)明，高中水均滿(mǎn)足《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195-2015)4.5.8條規(guī)定[3]。詳見(jiàn)圖3、表2。

圖3 黃河站2016-2020年水位流量關(guān)系曲線(xiàn)套繪圖

表2 黃河站2016-2020年水位流量關(guān)系曲線(xiàn)表

計(jì)算2016、2017、2018、2019、2020年各年關(guān)系曲線(xiàn)與經(jīng)過(guò)單值化處理的綜合關(guān)系曲線(xiàn)之間的誤差，結(jié)果詳見(jiàn)表3。從表3可以看出各年關(guān)系線(xiàn)與綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)間的偏離值均較小，高水最大偏離值0.0%以?xún)?nèi)，中水最大偏離值在6.6%以?xún)?nèi)。從而說(shuō)明，高中水均滿(mǎn)足《水文站測(cè)驗(yàn)方式方案編制技術(shù)導(dǎo)則》(黃水測(cè)〔2013〕39 號(hào))3.4.2條單一線(xiàn)定線(xiàn)允許誤差指標(biāo)[4]。建立綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4；水位流量關(guān)系曲線(xiàn)推算表，見(jiàn)表4。

圖4 黃河站綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)圖

表3 黃河站2016-2020年各年關(guān)系曲線(xiàn)與綜合線(xiàn)間的誤差計(jì)算表

表4 黃河站綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)推算表

5 誤差評(píng)估

5.1 綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)三種檢驗(yàn)

將黃河站2016-2020年實(shí)測(cè)流量資料共68次進(jìn)行關(guān)系曲線(xiàn)檢驗(yàn)，誤差分析，最大偏離測(cè)點(diǎn)為18.8%，大于8%的測(cè)點(diǎn)僅9個(gè)，有87%的測(cè)點(diǎn)在8%的范圍內(nèi)。符號(hào)檢驗(yàn)、適線(xiàn)檢驗(yàn)分別為0.12和-1.95，系統(tǒng)誤差為0.08%，測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差為5.23%，不確定度為10.5%。均符合《水文站測(cè)驗(yàn)方式方案編制技術(shù)導(dǎo)則》(黃水測(cè)〔2013〕39 號(hào))[4]及《水文巡測(cè)規(guī)范》(SL 195-2015)相關(guān)允許誤差指標(biāo)，見(jiàn)表6。說(shuō)明了測(cè)點(diǎn)在綜合水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)兩側(cè)集中分布，密集成帶狀，是較為理想的綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)。說(shuō)明建立的綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差均小于《水文資料整編規(guī)范》 (SL/T 247-2020)中關(guān)于曲線(xiàn)定線(xiàn)要求[5]。

表6 單一線(xiàn)法定允許隨機(jī)不確定度

5.2 時(shí)段水量分析

計(jì)算黃河站2016年至2020年5至10月當(dāng)年實(shí)測(cè)水量和采用綜合水位流量關(guān)系曲線(xiàn)法推得的水量進(jìn)行分析，見(jiàn)表7。

表7 黃河站5-10月份實(shí)測(cè)水量與綜合線(xiàn)推得水量誤差計(jì)算表

從表7可以看出，相對(duì)誤差均在5.1%以下，滿(mǎn)足《水文站測(cè)驗(yàn)方式方案編制技術(shù)導(dǎo)則》(黃水測(cè)〔2013〕39 號(hào))3.4.3三類(lèi)精度水文站小于6%的要求，見(jiàn)表8。

表8 時(shí)段總量允許誤差指標(biāo)(相對(duì)誤差%)

6 優(yōu)化測(cè)驗(yàn)方案

根據(jù)分析得出：黃河站流量測(cè)驗(yàn)優(yōu)化方案：汛期，當(dāng)流量在355 m3/s，相應(yīng)水位4 205.32 m以下時(shí)，汛期實(shí)行流量間測(cè)，間測(cè)期間每年進(jìn)行流量檢測(cè)3～5次，以校核水位流量關(guān)系綜合線(xiàn)。當(dāng)出現(xiàn)特殊情況或流量超過(guò)355 m3/s(相應(yīng)水位4 205.32 m)以上時(shí)，恢復(fù)正常測(cè)驗(yàn)，并進(jìn)行資料分析，延長(zhǎng)本方案適用范圍；非汛期，根據(jù)《黃上水技便〔2015〕第 9 號(hào)》優(yōu)化方案的補(bǔ)充規(guī)定[6]，枯水期的1-3，12月停測(cè)，采用多年月平均流量退水曲線(xiàn)推流表推流。4月及11月一般按照該站水位～流量關(guān)系曲線(xiàn)推流，如遇到特殊情況(開(kāi)河、封河)，則需要進(jìn)行巡測(cè)(每月定時(shí)測(cè)流1～2次)，巡測(cè)日期為：11月(7-10日、25-27日)，4月(9-10日、26-27 日)，測(cè)流次數(shù)為每日一次。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上述分析結(jié)果，黃河站在不降低測(cè)驗(yàn)精度、滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，通過(guò)水位流量關(guān)系曲線(xiàn)單值化分析，汛期流量實(shí)現(xiàn)間測(cè)，非汛期采用優(yōu)化后的巡測(cè)方案，有效地解放生產(chǎn)力，使人員、技術(shù)和經(jīng)費(fèi)等資源得到優(yōu)化配置，為盡早實(shí)現(xiàn)黃河源區(qū)“大巡測(cè)”提供技術(shù)支撐。對(duì)于加強(qiáng)黃河源區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)、改善職工工作生活條件、保障職工生命安全具有積極的意義。同時(shí)，隨著社會(huì)發(fā)展的需求，對(duì)水文資料的精度要求越來(lái)越高，積極推進(jìn)水文測(cè)驗(yàn)方式優(yōu)化工作，提升水文測(cè)報(bào)效率，有利于提升水資源管理水平，保證日常水文工作穩(wěn)定發(fā)展。