□張 良 張海龍

水文站一般有多個水文觀測要素，包括水位、流量、含沙量、懸移質(zhì)輸沙率、冰情、降水量等。

代表垂線法是以斷面上的若干條垂線的平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ)，通過施測若干條垂線的平均流速，推算出相應的斷面平均流速，進而得到斷面流量的流量測定方法。該法可以在保證一定精度條件下快速地測算斷面實時流量，適用于沖淤變化較小斷面。代表垂線法是搶測洪峰、提高報汛精度及時效性的簡單有效的方法之一。特別對山區(qū)型河流來說，流量的精度與報汛的時效性對于防汛和調(diào)度尤為重要。

文章研究的是響水堡水文站的河道斷面，根據(jù)分析的資料，每個斷面的流速垂線數(shù)量都是5 條?？紤]到測算洪峰流量的及時性和準確性，選擇一條或兩條代表垂線來代表整個斷面。

1.流域概況

1.1 河流及水利工程概況

響水堡水文站位于洋河下游，流域形狀東西向長，南北向短，略呈偏圓形，且西半部較小，東半部較大。主要支流大多數(shù)分布在左岸，有東洋河、洗馬林河、古城河、城西河、城東河、清水河、柳川河、龍洋河等，右岸主要支流有南洋河、洪塘河等。流域內(nèi)主要水利工程有大中型水庫3 座，分別為友誼水庫、西洋河水庫和洋河水庫。

1.2 測站概況

響水堡水文站建于1935 年5 月，該站的流量和泥沙測驗精度均為一類，集水面積14507 km2，所處河系為海河流域永定河水系。響水堡水文站位于河北省張家口市辛莊子鄉(xiāng)響水鋪村，地理坐標為東經(jīng)115°11'，北緯40°31'。上游有張家口水文站、柴溝堡（東）水文站、柴溝堡（南）水文站、口里東窯子水文站、盆兒窯水文站、萬全水文站，下游有八號橋水文站。

響水堡水文站的河道斷面在2017年進行了修筑，將主河槽改造為混凝土標準化斷面。標準化斷面上下長度為160 m，左側(cè)為灘地，右側(cè)為公路。自河道監(jiān)測斷面固化以來，過水斷面基本沒有發(fā)生變化。河床由混凝土、公路、細砂卵石、巖石組成。

河道斷面觀測項目主要有：水位、地下水位、流量、單樣含沙量、懸移質(zhì)輸沙率、顆分、水溫、冰凌、降水量9 項。

2.實例分析

2.1 資料選取

資料選取2022 年響水堡水文站河道斷面的全年實測流量數(shù)據(jù)，流量測驗按照《河流流量測驗規(guī)范》標準要求執(zhí)行，全部經(jīng)過整編計算并審查，資料真實可靠?？紤]到各測次流量施測時流速垂線起點距的位置不同，選取流速垂線相同位置87.5 m、90.0 m、93.0 m 處的實測流量成果共計43 次。在選取資料中，最大流量為5.92 m3/s，最小流量為0.430 m3/s。

2.2 資料分析

統(tǒng)計響水堡水文站河道斷面不同起點距的垂線流速和斷面平均流速分別繪制多項式關(guān)系線，采用R2作為評價指標，R2越接近于1 相關(guān)性越好，可靠性就越高?；貧w分析計算結(jié)果見表1，代表垂線流速與斷面平均流速關(guān)系見圖1～圖6。

圖1 87.5m 處垂線流速與斷面平均流速關(guān)系

圖2 90.0m 處垂線流速與斷面平均流速關(guān)系

圖3 93.0m處垂線流速與斷面平均流速關(guān)系

圖4 兩條垂線87.5m、90.0m處平均流速與斷面平均流速關(guān)系

圖5 兩條垂線87.5m、93.0m 處平均流速與斷面平均流速關(guān)系

圖6 兩條垂線90.0m、93.0m 處平均流速與斷面平均流速關(guān)系

表1 不同起點距垂線流速與斷面平均流速回歸分析

從表1 中可以看出，一條固定垂線中90.0 m 處的R2值最大，達到了0.9800；其 次 是87.5 m 處 的R2值 為0.9674；93.0 m 處 的R2值 最 小，為0.9538；每一條固定垂線的R2均達到了0.95 以上；兩條固定垂線87.5 m、93.0 m處R2值最大，達到了0.9838；其次是90.0 m、93.0 m 處R2值為0.9780；87.5 m、90.0 m 處R2值最小，為0.9755；每兩條固定垂線處的R2均達到了0.97 以上，兩條固定垂線不同程度上都優(yōu)于一條固定垂線。

3.誤差分析

使用2022 年的實測流量數(shù)據(jù)對上述分析結(jié)果進行驗證，根據(jù)表1 中的回歸方程進行計算，并將計算得出的流量與實測流量進行誤差分析，具體結(jié)果見表2。在一條固定垂線中，90.0 m 處的流量相對誤差均值最小，為0.31%，流量相對誤差在10% 以下的比例為100%；其次是87.5 m 處，流量相對誤差均值為0.45%，流量相對誤差在10%以下的比例為93.0%；93.0 m 處的流量相對誤差均值為0.49%，流量相對誤差在10%以下的比例為88.4%。在兩條固定垂線中，87.5 m 和93.0 m 處的流量相對誤差均值最小，為0.20%，流量相對誤差在10%以下的比例為100%；其次是90.0 m 和93.0 m 處，流量相對誤差均值為0.26%，流量相對誤差在10%以下的比例為100%；87.5 m 和90.0 m 處的流量相對誤差均值為0.31%，流量相對誤差在10%以下的比例為97.7%。這些結(jié)果表明，兩條垂線不同程度上都優(yōu)于一條垂線。

表2 計算流量與實測流量誤差

4.結(jié)論

響水堡水文站河道斷面固定起點距的單垂線流速與斷面平均流速之間擬合程度最高達到了0.9800，可以采用90.0 m 處代表垂線推求斷面平均流速。兩條固定垂線中垂線平均流速與斷面平均流速之間擬合程度最高達到了0.9838，可以采用兩條垂線87.5 m、93.0 m 處垂線平均流速推求斷面平均流速。

固化斷面上開展代表性垂線法研究，在保證測驗精度的前提下，既可以縮短測流時間，減輕工作量，又可以為先進儀器設(shè)備選擇更加合適的監(jiān)測位置提供依據(jù)。