遼寧地區(qū)山區(qū)型中小河流測速垂線的精簡試驗分析

孟慶玉

(朝陽市喀左縣水利局，遼寧 喀左 122300)

0 前言

一次流量的測驗的主要因子有：流速、面積，一定的水位通過單位過水面積是一定的，在面積不變的情況下流速的測量精度直接關系到整個流量的精度[1]。每條垂線流速精度非常重要。根據(jù)《河道流量測驗規(guī)范》(GB 50179-2015)規(guī)定每條垂線測點數(shù)目的規(guī)定。通過分析對某一測點與斷面平均流速的關系，可以對測速垂線進行精簡[2]。精簡分析是流量測驗中一個很重要的環(huán)節(jié)，既能保證流量測驗的成果精度，又能減少測流的工作量，縮短測流歷時，提高測報的準確性和時效性[3]。通過精簡分析，制定各種比較合理的流量測驗施測方案，以適應不同水位級情況下，采用不同的測流工作方案[4]。近些年來，由于中小河流突發(fā)暴雨洪水特點，傳統(tǒng)的水文測驗方式也不能滿足洪水期中小河流測報信息的及時性、準確性。亟需對傳統(tǒng)水文測驗方式進行改進和精簡，從而提高中小河流測報的時效性。當前，測速垂線精簡研究已在國內(nèi)許多河流水文測驗方案制定中得到應用[5-12]，并逐步在遼寧地區(qū)許多區(qū)域河流測驗的精簡方式中得到應用。本文以遼南山區(qū)型中小河流為研究實例，對該區(qū)域水文測站的測速垂線精簡進行試驗分析，成果對于遼寧山區(qū)型中小河流測速垂線精簡方案制定具有參考價值。

1 測站概況

選取的測站為集水面積240 km2，區(qū)域代表站，屬山溪性河流具有暴漲暴落特性。測驗河段順直長約1000 m，洪水主流居中、比降大、水流急、中水時水面寬約為75 m，基上約10 m處有一小河溝、汛期有水匯入，基下約1000 m處有一急彎，基上約700 m處是一攔河水壩，高水時水由壩上跑，低水時由攔河壩閘門放水，攔河壩下游斷面河干，河底由中、小型河卵石組成，河床左岸為巖石，右岸為草皮及小柳樹。歷年水位流量關系較為穩(wěn)定。

2 寬深比確定

按照《河流流量測驗規(guī)范》(GB 50179-2015)的規(guī)定要求進行了流速垂線精簡方案下的對比觀測試驗，共進行對比觀測試驗22次，采集22份流量測定數(shù)據(jù)，對不同測驗時間下河流斷面的寬度(B)及平均水深(D)進行寬深比的推求。對選取水文站的寬深比進行推算，其寬深比在52.6～82.5之間，從各實測流量數(shù)據(jù)進行分析，水面寬范圍在73.1 m～91.7 m，寬深比值(B/D)范圍在51.2～81.3，為窄深河道。

3 測速垂線精簡方案

根據(jù)《水文測驗手冊》常測法測速垂線數(shù)的布設要求，當水面寬與平均水深之比值(B/D)小于100時為窄深河道。研究水文站寬深比值(B/D)范圍在51.2～81.3，處于窄深河道。測速垂線在10～14條符合測驗要求。在測點精簡分析的前提下精簡垂線數(shù)目。。根據(jù)《水文測驗手冊》3～67常測法的垂線﹑測點綜合精簡的分析要求，結(jié)合本站的斷面垂線流速橫向分布變化趨勢，采用起點距為：69 m、76.1 m、86.4 m、95 m、101.6 m、108.8 m、115 m、119.3 m、128.5 m、130 m的垂線流速，以斷面平均流速為縱坐標，以每條垂線的流速為橫坐標建立相關關系，各垂線相關方程見表1。

表1 各垂線相關方程建立結(jié)果

(1)選用相關關系最好的一條垂線，起點距為95 m，其線性關系為：Y=0.885x+0.027，R=0.998。

(2)選出線性關系較好的三條垂線分別為：95 m、115 m，以二條垂線的平均值為橫軸，以斷面平均流速作縱軸建立相關關系，相關關系良好。其線性關系為Y=0.877x+0.016，R=0.999。

(3)選出線性關系較好的三條垂線分別為：95 m、101.6 m、115 m以三垂線的平均值為橫軸，以斷面平均流速作縱軸建立相關關系，相關關系良好。其線性關系為Y=0.869x+0.01，R=0.997。

4 測速垂線精簡誤差分析

4.1 各精簡方案流量誤差分析

結(jié)合《水文測驗手冊》規(guī)定的常規(guī)水文測驗要求，分別在95 m、115 m布設兩條測速垂線和布設三條測速垂線得到的平均流速建立相關關系后對流量進行推算并與常規(guī)方法的流量進行對比分析，當誤差符合測驗的精度要求時，即可采用不同垂線的測點流速進行流量的推求計算，并作為常規(guī)測流方案進行流量的測定。將各實測流量數(shù)據(jù)按照精簡方案進行流量的重新計算，對精簡前后的流量相對誤差進行分析，分析各精簡方案下的流量測驗誤差是否滿足誤差檢驗的要求，從而確定最優(yōu)的流速垂線精簡方案。各流速垂線精簡方案下的誤差分析結(jié)果見表2、表3以及表4。

表2 采用一條測速垂線精簡后與精簡前流量成果數(shù)據(jù)分析表

表3 采用兩條測速垂線精簡后與精簡前流量成果數(shù)據(jù)分析表

表4 采用三條測速垂線精簡后與精簡前流量成果數(shù)據(jù)分析表

本文選取的水文站需要滿足三類水文站點的測驗精度，從各測速垂線精簡方案分析結(jié)果看出，采用一條測速垂線進行精簡后，其測速垂線精簡前后的流量測定誤差高于允許誤差5%的測驗精度要求，因此在該水文站選取1條測速垂線進行流量精簡很難滿足流量測驗的誤差要求。從表3兩條測速垂線精簡方案分析結(jié)果可看出，測速垂線精簡前后的流量測驗誤差均低于5%，達到水文測驗規(guī)范要求的三類水文測站的允許誤差要求，可見在選取的站點中，采用2條測速垂線精簡方案可滿足水文測驗的精度要求。表4為采用三條測速垂線進行測驗方案精簡后，精簡前后流量測驗誤差也同樣低于水文測驗要求的5%允許誤差，同級水位下的精簡測驗誤差均小于采用1條和2條進行測速垂線精簡后的誤差值，表明隨著測速垂線的增加，其誤差逐步減小，通過對比觀測分析，采用95 m、115 m垂線2條測速垂線和95 m、101.6 m、115 m三條測速垂線精簡的誤差均可滿足水文測驗要求。

4.2 測驗誤差分布

按照《水文測驗手冊》系統(tǒng)誤差的要求，對精簡后的流量相對誤差分布進行分析，統(tǒng)計分析不同測次下的流量精簡誤差，并將測驗誤差按照大小進行排列分析，統(tǒng)計分析誤差分布的累積頻率，結(jié)果見表5。

表5 各精簡方案下的誤差累積頻率分布結(jié)果

從不同測速垂線精簡方案下的誤差累積頻率分布結(jié)果可看出，在三條垂線精簡方案下垂線平均流速作為斷面平均流速對最小流量誤差進行推求，當頻率累積值達到50%的測驗誤差時，即表明流速垂線精簡方案下出現(xiàn)測驗的系統(tǒng)誤差。從各流速垂線精簡方案下的誤差累積頻率分布結(jié)果可看出，各精簡方案下的系統(tǒng)誤差低于2%，符合常規(guī)測驗方式下的誤差要求范圍，表明采用的測速垂線精簡方案可行。

5 主要結(jié)論

(1)山區(qū)型河流由于洪水過程歷時較短，在未進行流速垂線精簡時，需要布設8～10條測速垂線進行流量測驗，常由于測流時間較長，影響洪峰測流的時效性，測驗精度也常難以滿足要求。經(jīng)過測速垂線精簡后，使得一次測流時間得到明顯縮短，且能及時對洪峰流量進行測驗，流量測驗精度得到有效保障，使得測驗效率和時效性得到有力提升。

(2)測速垂線精簡方案可為流量實時在線監(jiān)測提供支撐，只需要在95 m、101.6 m、115 m布設三條測速垂線，結(jié)合大斷面面積和自動觀測的水位值，即可對流量進行推求。