水文站水面流速系數(shù)分析研究

李自順，陳玉斌

水文站水面流速系數(shù)分析研究

李自順1，陳玉斌2

（1.云南省水文水資源局，云南昆明650106；2.云南省水文水資源局紅河分局，云南蒙自661199）

從云南省水文站分布概況及其水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)情況、分析研究方法、誤差控制、分析研究成果等方面對(duì)水文站進(jìn)行10 a水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)結(jié)果分析研究。截止目前為止，云南省156個(gè)水文站有138站采用水面流速系數(shù)分析值，占全省水文站的88.5%。其分析研究結(jié)果為：屬于云南境內(nèi)的長江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江、伊洛瓦底江流域水文站水面流速系數(shù)范圍分別為0.78～1.15、0.81～1.06、0.78～1.16、0.76～1.07、0.74～0.98、0.81～0.92。關(guān)鍵詞：水面流速系數(shù)；水文站；云南

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水文資料成果需求的日益增長，實(shí)現(xiàn)水資源永續(xù)利用對(duì)水文工作提出了更高更新的要求。近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展不同程度地改變了河流的水沙情勢(shì)，使云南省水文測(cè)驗(yàn)河段的復(fù)雜性更加突出，從資料審查的結(jié)果來看，因水文測(cè)驗(yàn)環(huán)境的改變，各種測(cè)驗(yàn)系數(shù)的不合理性也不斷顯現(xiàn)，甚至在一定程度上影響到部分測(cè)站的流量測(cè)驗(yàn)精度。針對(duì)云南省大部分水文站的流量測(cè)驗(yàn)系數(shù)一直沿用著“經(jīng)驗(yàn)值”或多年前“分析值”的實(shí)際情況，為進(jìn)一步加強(qiáng)全省水文測(cè)驗(yàn)工作、保證流量資料測(cè)驗(yàn)精度，從2007年起在全省范圍內(nèi)開展測(cè)驗(yàn)并收集系數(shù)分析資料，通過2007—2016年10 a的辛勤測(cè)驗(yàn)，積累了大量的分析資料，并在此基礎(chǔ)上對(duì)云南省水文站水面流速系數(shù)進(jìn)行分析研究。

1 水文站分布概況

云南省地處祖國西南邊陲，北回歸線橫貫?zāi)喜?，東部與貴州省、廣西壯族自治區(qū)為鄰，北部同四川省相連，西北部緊倚西藏自治區(qū)，西部同緬甸接壤，南部同老撾、越南毗連，轄16個(gè)州、市，國土面積39.4萬km2。省境內(nèi)河流眾多，有長江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江、伊洛瓦底江6個(gè)流域水系，分布了156個(gè)水文站。云南省水文站各流域站數(shù)，見表1。

表1 云南省水文站各流域站數(shù)

2 水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)情況

水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)工作在云南省轄區(qū)內(nèi)各水文站開展，從工作布置、組織實(shí)施到測(cè)驗(yàn)分析成果形成，歷經(jīng)10 a時(shí)間，并在2009、2016年分別進(jìn)行了2次分析。具體工作主要從各水文站的測(cè)驗(yàn)條件設(shè)置、分析計(jì)算方法選擇、精度評(píng)定等方面進(jìn)行。依據(jù)10 a的系統(tǒng)比測(cè)資料，對(duì)各水文站水面流速系數(shù)進(jìn)行了歸納，并得出初步分析成果。通過對(duì)各水文站測(cè)驗(yàn)河段的變化情況、比測(cè)分析資料的可靠性及分析結(jié)論的合理性等方面認(rèn)真細(xì)致的研究，確定2次分析可以采用水面流速系數(shù)的水文站數(shù)為138站；其中，長江流域有40站，珠江流域25站，紅河流域23站，瀾滄江流域24站，怒江流域15站，伊洛瓦底江流域11站。仍采用經(jīng)驗(yàn)值的共有11站，其中珠江流域1站、紅河流域4站、瀾滄江流域6站。未能分析和未采用經(jīng)驗(yàn)值的共有7站，其中長江流域3站、瀾滄江流域3站、怒江流域1站。云南省各流域水文站水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)及分析研究站數(shù)統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 云南省各流域水文站水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)及分析研究站數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 水面流速系數(shù)分析研究方法

水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)分析研究工作主要依據(jù)《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179—2015）規(guī)定進(jìn)行。水面流速系數(shù)均依據(jù)各水文站實(shí)測(cè)資料分析，由多點(diǎn)法或相對(duì)水深0.6一點(diǎn)法測(cè)速資料與加測(cè)水面流速資料研究確定。其線性回歸方程為：

式中：Q為斷面流量（m3/s）；K為相關(guān)系數(shù)（水面流速系數(shù)）；QX為斷面虛流量（m3/s）；C為待定常數(shù)。

在相關(guān)直線方程中，當(dāng)斷面虛流量為0時(shí)，斷面流量也為0，所以直線方程中常數(shù)C為0，故相關(guān)直線方程可簡(jiǎn)化為：

式中：各變量含義同上。

4 水面流速系數(shù)誤差控制

水面流速系數(shù)誤差控制包括測(cè)驗(yàn)誤差控制和分析誤差控制。測(cè)驗(yàn)誤差控制表現(xiàn)在測(cè)驗(yàn)過程中對(duì)測(cè)流實(shí)機(jī)的把握和對(duì)水深、起點(diǎn)距、流速測(cè)量的控制。分析誤差控制采用趨勢(shì)線擬合程度指標(biāo)R2，R2數(shù)值大小可以反映趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高趨勢(shì)線的可靠性就越高。R2取值范圍在0～1，當(dāng)R2值等于1或接近1時(shí)趨勢(shì)線的可靠性最高，反之則可靠性較低。在本次水面流速系數(shù)分析中，要求R2大于0.90。R2的計(jì)算公式為：

式中：ssreg為回歸平方和；sstotal為總平方和?；貧w平方和=總平方和-殘差平方和（ssresid）。

5 水面流速系數(shù)分析研究成果

通過對(duì)6個(gè)流域138個(gè)水文站水面流速系數(shù)分析研究得到，長江流域水文站水面流速系數(shù)范圍為0.78～1.15，珠江流域水面流速系數(shù)范圍為0.81～ 1.06，紅河流域水面流速系數(shù)范圍為0.78～1.16，瀾滄江流域水面流速系數(shù)范圍為0.76～1.07，怒江流域水面流速系數(shù)范圍為0.74～0.98，伊洛瓦底江流域水面流速系數(shù)范圍為0.81～0.92。從經(jīng)驗(yàn)值統(tǒng)計(jì)得到，珠江流域水面流速系數(shù)取值為0.90，紅河流域水面流速系數(shù)取值范圍為0.85～0.92，瀾滄江流域水面流速系數(shù)取值范圍為0.74～0.87。

6 水面流速系數(shù)影響因素及建議

6.1 影響因素

（1）測(cè)驗(yàn)方面。部分水文站位于山區(qū)性河流上，山區(qū)性河流普遍存在陡漲陡落的水勢(shì)狀況，高水搶測(cè)洪峰時(shí)比測(cè)資料收集難度較大，加上精測(cè)法歷時(shí)較長，致使高水級(jí)比測(cè)資料缺乏，給分析成果帶來一定的隨機(jī)性。部分水文站受上游水利工程影響較大，測(cè)驗(yàn)難度增加且失準(zhǔn)。

（2）設(shè)備方面。部分水文站測(cè)流設(shè)備在高水時(shí)鉛魚重量不夠，致使測(cè)流鉛魚的纜道拉偏角大等情況發(fā)生，從而產(chǎn)生較大測(cè)驗(yàn)誤差，對(duì)系數(shù)分析精度有影響。

（3）測(cè)驗(yàn)河段方面。系數(shù)是對(duì)該測(cè)驗(yàn)時(shí)段水流情況的綜合反映，當(dāng)測(cè)驗(yàn)河段發(fā)生變化如堵壩抽水、塌方等情況時(shí)往往對(duì)水面流速系數(shù)產(chǎn)生影響，但分析的系數(shù)往往不能及時(shí)反映這些變化。

6.2 建議

對(duì)于已采用水面流速系數(shù)分析值的水文站，每年應(yīng)布置一定測(cè)次對(duì)分析值進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)變動(dòng)時(shí)須及時(shí)開展新的對(duì)比測(cè)驗(yàn)和分析。

目前分析成果是現(xiàn)有測(cè)驗(yàn)設(shè)備的反映，當(dāng)水文站測(cè)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造及測(cè)洪能力和精度得到提高時(shí)應(yīng)開展新的對(duì)比測(cè)驗(yàn)和分析。

當(dāng)涉水建筑物對(duì)系數(shù)發(fā)生新的影響時(shí)須及時(shí)開展新的對(duì)比測(cè)驗(yàn)和分析。

7 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際工作需要及測(cè)驗(yàn)條件，云南省156個(gè)水文站有138站進(jìn)行了水面流速系數(shù)測(cè)驗(yàn)分析。經(jīng)分析研究發(fā)現(xiàn)，屬于云南省境內(nèi)的長江、珠江、紅河、瀾滄江、怒江、伊洛瓦底江流域水面流速系數(shù)范圍分別為0.78～1.15、0.81～1.06、0.78～1.16、0.76～1.07、0.74～0.98、0.81～0.92，其分析成果可用于實(shí)際生產(chǎn)中。

TV11；P33

B

1004-7328（2017）02-0062-02

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.019

2016—12—25

李自順（1964—），男，高級(jí)工程師，主要從事水文測(cè)驗(yàn)、資料整編工作。