崇阳(二)站高洪测验简测方案分析

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(长江中游水文水资源勘测局赤壁分局，湖北 赤壁 437300)

1 概 述

陆水流域位于鄂东南主要暴雨区内，流域面积3 950km2，年径流量29×108m3。陆水河为长江中游南岸的一级支流，源出湘、鄂、赣三省交界的幕阜山北麓，流经湖北省的通城、崇阳、赤壁、嘉鱼四县市，在赤壁古战场下游的洪庙注入长江，全长183km。陆水水系发育总体呈羽状分布，河长大于5km的支流有98条，比较长的有6条。

陆水蒲圻水利枢纽位于陆水干流山谷出口处的湖北省赤壁市城区东南侧，东经113°53′22″北纬29°41′41″,是为了加快三峡工程工作进程而修建的三峡实验坝。枢纽控制流域面积3 270km2，占全流域面积的86.1%。陆水水库为流域内最大水库，总库容为7.06×108m3。崇阳(二)水文站位于该水电站上游约34km处，陆水水库高水期对崇阳(二)水文站断面顶托影响比较明显。

天城水电站位于崇阳大桥上游530m处，距青山三级电站5km，为陆水干流梯级开发工程之一，是崇阳县在陆水河上建成的第一座电站，控制来水面积2 170km2，占全流域面积的56%，多年平均流量56.2m2/s。该站为低水头，大流量河床式电站。工程由船闸、节制闸、电厂三部分组成。洪水标准30年一遇设计。崇阳(二)水文站位于该水电站下游约700m处，此电站对崇阳(二)水文站断面流量测验影响非常明显。

2 崇阳(二)水文站简介

崇阳(二)水文站为国家二类基本控制站，它是一个典型的山溪性河流测站，水位暴涨暴落，同时又是一个典型的水利工程控制站。该站测验河段顺直，长约800m，主槽宽约170m。地面高程为59.18m，当水位超过此高程时，两岸漫滩达1km之多，两岸漫滩部分产生岔流、串沟、死水等情况。主槽为沙卵石组成，岸边经改造后为块石护坡，河床冲淤变化不大。该站测流常规采用水文缆道流速仪法测流。该站Z～Q关系主要受上游700m处四级电站闸门启闭和机组发电控制，洪峰历时短，关系曲线极为复杂。当受下游水库顶托不明显时，Z～Q关系曲线为单一线形；当顶托较为明显时，Z～Q关系曲线族向左偏移并形成绳套，其趋势历年相似。发生特大高洪时，基本不受电站闸门启闭和下游水库回水的影响，洪水归漕后Z～Q关系曲线也基本呈单一线形。

3 问题的提出

据崇阳(二)水文站的测站任务书规定，该站流速仪测流方案目前常规测验方法为高水位以下9线一点法(0.6相对水深处)，高水位以上为9线二点法(0.2、0.8相对水深处)，遇紧急情况如洪水期或上游电站突然开闸放水等，需要缩短测流时间时，可采用三线(起点距90、110、130m)二点法(0.2、0.8相对水深处)的简测法施测，但不得连续使用超过二次。该简测方案已实施十余年，效果稳定。美中不足却是此简测法不能得到充分利用，一年之中使用的次数寥寥。主要原因如下：

该站断面所处陆水河为暴涨暴落的山溪性河流，洪水涨落过程中水面及水中漂浮物较多。尤其是高洪涨水时期，给缆道测流带来极大的安全隐患。高洪时期的漂浮物分布一般沿测验断面从右岸至左岸逐渐增多。其种类繁多：一般为杂草树枝、大树树干、涵管、冲毁船只，甚至是瓦房屋顶。可见此时测验的安全隐患极大。

目前采用的高洪简测法起点距位于90、110、130m处，恰恰是遭遇漂浮物较多的垂线，且不能连续使用超过两次。发生高洪时欲采用简测法测验时经常会苦于起点距90、110、130m处漂浮物较多而放弃。而此时若强制施测会带来以下问题：

①当测验过程中应测垂线上游有漂浮物漂下时，必须将铅鱼上升离开水面至少2m悬空等待以避开漂浮物，如此就给测验带来时间上的拖延，造成测验时间大大增加。

②当测验过程中流速仪在水中被树枝杂草等漂浮物缠死不来信号时，必须立即中断测验，将仪器开回以清除杂物，如若遭遇仪器故障，还需要立即修复好或更换新的仪器。期间过程费时费力，且对洪水测次分布及测流精度带来一定影响。

③最危险的是在测验过程中，若没能及时避开重力较大又很结实的漂浮物(如大树树叉)，导致铅鱼被强行下拖并带动缆道主索，就极有可能发生缆道主索被拉断甚至拖垮整个缆道的不可控的巨大危险。更严重的是，往往正当这些及其危险的漂浮物自上而下冲撞下来时并不是浮在水面上的，它半浮半沉隐匿在水里，测验人员肉眼是无法看见的。这样巨大的危险来临时，已经避无可避了。

基于以上原因，为了安全有效的收集到高洪测验资料，近期崇阳水文站开展更替简测方案垂线的分析计算专项工作。

4 简测方案分析

据该站测验人员近年来的测验经验，如若选择仅在靠近右岸的起点距30m、50m、70m三处进行流速测验得到一个断面指标流量，再乘以指标流量和断面流量的转换系数得到断面总流量，即可较好的避开漂浮物给测验带来的影响。具体体现如下：起点距30m及50m处靠近断面右岸，少有漂浮物，起点距70m处因其离右岸边的缆道启动位置较近，即便流速仪被漂浮物缠绕不能正常工作，也能及时开回，费时较少。且70m处一般为近年来断面流速横向分布最大处，提取该垂线较具代表性。针对这个方案，展开以下分析：

4.1 方案确定及分析结果

崇阳(二)水文站原简测方案为采用三线(起点距90、110、130m)二点法(0.2、0.8相对水深处)施测，但测验任务书规定其不得连续使用超过二次。此次分析欲将三线改至起点距30、50、70m处。将崇阳(二)水文站2014～2016年但凡右水边起点距小于30m(即测验断面起点距30m处位于水下)的常规流量测验资料筛选出来，得到样本数共计164个。将这些样本都只保留起点距30、50、70m三线的流速数据，其余起点距流速全部删去进行精简再计算。结合《水文资料整编规范》(SL 247-2012)表3.3.2-1及表3.3.2-2水位流量合并定线精度表中的二类精度站高中低水的相对误差进行统计分析。

结果显示：原流量和三线计算出来的指标流量呈较好的单一直线线性关系，而原流量和三线计算出来的流量的比值与水位也基本呈集中直线带状关系。由于该断面少有冲淤变化，水位面积关系及流速的横向分布都较为稳定，部分断面流量与全断面流量关系因而也会较为稳定。如图1、图2所示。

图1三线流量与总流量关系图

图2比值与水位关系图

164个样本原流量和三线计算出来的流量的比值算术平均值为1.194。首先将1.194作为初步流量系数与三线流量相乘得到的计算断面总流量与原断面总流量进行误差比较。结果显示：平均系统误差为0%；最大偶然误差为27%；小于10%的合格率为88.4%。

将三线流量与总流量的点据拟合出来的关系比值为1.175，将1.175作为第二流量系数同样进行上述误差比较。结果显示：平均系统误差为-1%；最大偶然误差为-28%；小于10%的合格率为88.4%。

结果显示，系数1.194参与计算的结果优于1.175。最后方案确定为采用1.194作为精简方案分析计算的流量系数。

4.2 误差分析

在目前的科技手段之下，流量测验过程中是一定会产生测验误差的。流速仪法流量测验的误差来源有以下几点：起点距定位误差；水深测量误差；流速测点定位误差；流向偏角导致的误差；流速仪轴线与流线不平行导致的误差；入水物体干扰水流导致的误差；计时误差；流速仪率定本身的误差；测验方案不完善导致的误差；测验过程中操作不当导致的误差；测验条件超出仪器使用范围导致的误差等。这些误差在高水期和枯水期带来的影响最大。这些我们目前仍然无法完全避免。

具体对超出误差10%范围的样本有19个，样本合格率为88.4%，对这19个样本挑选出来进行分析，结果如下：超限的19个断面流量全部都在700m3/s以下，有9个断面流量在100 m3/s以下，此时处于洪水过程的退水阶段，流量量级较小。产生误差的原因多为测验过程中断面上游的天城水电站变闸或者是陆水水库水位较高对断面产生顶托影响导致流速横向分布改变，导致指标流量与断面总流量的比值也会发生变化。如图3所示，绿色显示的2016年第82、83次流量测验，流速的横向分布因电站变闸而发生反常。假如仅考虑简测方案用在高洪漂浮物较多的涨水期，则不会遇到这两种情况。这19个样本将均不会出现，从而不在考虑之列，合格率将为100%。

图3崇阳(二)站2016年第81-84次流量测验现场分析图

具体对超出误差6%范围的样本有41个，对这41个样本挑选出来进行分析，结果如下：样本合格率为75%。减去超出误差10%范围的19个样本，也就是误差介于6%～10%之间的样本个数为22个(其中有7次流量小于700m3/s)。假如仅考虑简测方案用在高洪漂浮物较多的涨水期，19个样本将均不在考虑之列，同时将7个小流量样本也剔除，合格率将为90.9%。如果能避开高水期的陆水水库顶托影响，则其余超限的断面流量中大于1 000 m3/s的数据也要剔除，数据合格率将上升为100%。

综上分析，误差超限的主要原因有二：①全断面常规法测流在高洪期耗时较长，很容易碰到测流过程中上游天城电站变闸而影响下泄流量，这一点在现场分析图中反应明显，流速的断面横向分布图出现反常；当下游陆水水库水位较高会对断面产生严重顶托影响，同样导致流速的横向分布反常。②在涨水时期漂浮在水面上的稻草、树木和杂草等漂浮物的影响也会对流量测验带来较大的流量误差。

表1列出了误差超过6%的样本数据及原因分析。

5 结 语

崇阳(二)水文站所处断面的流量变化受水利工程影响较大，中低水时期主要受上游天城水电站下泄流量影响，高水时期还要受到下游陆水水库的顶托影响。本次分析的164个样本误差大部分都是由这两个影响引起。作为一个二类精度控制站，如果可以在精度要求上稍作放宽，并避开上述两个影响，此简测方案完全可以顶替所有中高水期测验的常规(9线1点法或2点法)测验方案。如果仅考虑在高洪漂浮物较多的高洪涨水期采用简测方案，误差小于6%的合格率将为100%。完全可以满足现下相关规范要求。

采用此方案的好处在于：①仅在该方案所选垂线处测验时不会遭遇大的漂浮物，可以有效避免被大漂浮物缠绕带来的安全隐患；②该站河段高洪靠近右岸漂浮物较少，方案所选垂线靠近右岸，可以有效避开漂浮物，从而基本消除测验风险；③常规测验一般需1～2h，如若多次碰到杂草缠住流速仪的情况，测验时间会更长。而简测法仅需0.5h左右，大大缩短了测验时间，从而提高测验精度，优化布置测次，从而更准确的定出断面水位流量关系。

安全生产是当前社会发展的重中之重，要实现安全生产就必须要在日常工作中提前将安全隐患尽可能的规避到零。建议崇阳(二)水文站在高洪涨水期采用本次分析的简测方案来进行流量测验。

表1 崇阳(二)站流量垂线精简分析数据统计表