矩形量水堰在黑林水文站低水流量测验中的运用

王 欢 ，夏 超 ，封一波 ，武宜壮 ，刘炜伟

（1. 江苏省水文水资源勘测局连云港分局，江苏 连云港 222004；2. 无锡市锡山区水利局，江苏 无锡 214101）

0 引言

由于受过水断面的测流条件和人为因素等影响，水文站低水流量测验精度偏低。在实际低水测速中，如果天然河道断面条件较差（如沙石砾河床），将造成断面流速分布紊乱，水流集中的地方流速偏大，引起实测低水流量偏大；受流速仪要求最低测流水深需淹没浆叶，尾翼流向有所偏差等限制，致使岔流、散流、浅滩无法测得流速[1]；在涉水测验整个测流过程中，测流人员需手持测深杆，会阻碍水流运动，使得人与测深杆间流速增大，这些因素都将影响低水流量测验精度[2]。因此，如何提高低水测验的精度，值得水文工作者深入研究。

黑林水文站位于淮河流域滨海诸小河水系青口河上游，为青口河上游干流区域径流站、小塔山水库入库控制站，断面以上流域面积为 190 km2，流域平均宽度为 11.0 km，流域平均比降为 36.90‰，干流长度为 17.0 km，干流平均比降为 2.90‰，暴雨洪水特性属山丘区雨洪特性，暴涨暴落。设站目的为控制青口河干流径流积累资料，为省界水资源管理、生态环境保护、工程管理等提供数据信息，为下游（主要为小塔山水库）防汛防旱和水利工程调度等提供水文情报服务。

受流域面积及自然地理条件的影响，测流断面常年有基流，流量较小，给测验带来较大困难，为解决黑林水文站低水测验的难题，实施矩形量水堰工程，以提高低水测验精度。

1 矩形量水堰应用

对黑林水文站测验断面进行综合整治，对河道右岸侧沙洲进行回填平整，为防止冲刷，回填平整后采用浆砌块石进行防护。在低水时开挖，清理河床，改变流向，使径流集中归槽，在主槽建设混凝土结构矩形量水堰 1 座。

矩形量水堰在河道上的平面布置图如图 1 所示。

矩形量水堰高 1.5 m，采用混凝土结构，堰轴线方向长 32 m，上游设 4.0 m×0.4 m 厚长混凝土铺盖，下游设 5.0 m×0.3 m 厚浆砌块石护坦，堰上、下游两侧共设 0.30 mm×12.25 m 厚浆砌块石护坡。

矩形量水堰（堰口）横断面图如图 2 所示。

矩形量水堰过流断面处净高为 1.0 m，宽为3.0 m，设计最大过水流量为 4.0 m³/s，底高程为33.00 m（85 基准基面，下同），下游设 5.0 m ×0.3 m厚浆砌块石护坦，底高程为 32.50 m，比过流断面底高程低 0.5 m，让矩形量水堰过水断面形成自由跌水。

图 1 矩形量水堰在河道上平面布置图

图 2 矩形量水堰横断面图（长度单位为 cm）

矩形量水堰堰口中心处的纵剖面图（沿河流方向）如图 3 所示。

2 率定方案分析

2.1 目的及要求

率定目的：在低水期间通过流量监测，建立水位-流量单一关系线，验证矩形量水堰是否达到设计要求，实现流量实时在线。

监测要求：根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》要求，应积累不少于 30 次的实测资料，均匀分布于水位-流量关系要素的全变幅内[3]13。

2.2 断面布设

根据 SL 537—2011《水工建筑物与堰槽测流规范》，量水堰的水头测量断面应设置在堰顶上游 3～5 倍最大水头处[4]，测验断面布设在基准断面以下50 m，量水堰上游水流平稳处。

2.3 质量控制

根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》要求，定线精度中，二类水文站随机不确定度 ≤ 10，系统误差 ≤±1%；关系线检验中，定线成果需通过符号、适线、偏离数值检验[3]14。

3 成果和运用效果分析

3.1 测验资料收集分析

黑林水文站量水堰建设完成后，根据比测率定方案，使用流速仪法开展量水堰比测率定工作。根据水位变幅情况，全年共完成比测 34 次，满足 SL 247—2012《水文资料整编规范》中，相关曲线实测点不应少于 30 点的要求。实测最大流量为 3.950 m3/s，最小流量为 0.069 m3/s。

黑林水文站量水堰实测水位、流量成果如表 1所示。将表 1 中实测流量 Qi与相应水位关系点绘在Excel 表格中，利用 Excel 表格通过点群中心进行拟合定线，水位-流量关系线如图 4 所示。

从图 4 可以看出，实测点均匀分布于拟合线的两侧，相对误差普遍较小，点距合理（高、中、低），测点布设均匀，线型合理。

图 3 堰口中心处的纵剖面图（沿河流方向，长度单位为 cm）

表 1 黑林水文站量水堰实测水位、流量成果表

图 4 黑林水文站矩形量水堰水位-流量关系线

3.2 定线精度分析

根据黑林水文站量水堰水位-流量关系线，读取34 个测点相应水位下的线上流量 Qci，与实测流量Qi进行分析。根据公式计算测点与关系曲线的相对偏离值 pi；根据公式计算得到平均相对偏离值 p = - 0.25%，相关计算如表 2 所示。进一步根据表 2，可计算得到 ∑ pi2和∑ (pi- p )2的值分别为 0.035 21，0.035 05。

根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》要求，稳定的水位-流量关系曲线，均应计算实测点对关系线的标准差、随机不确定度和系统误差。

1）标准差计算。根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》[3]10，实测点标准差 σe可按以下公式计算：

式中：n 为测点总数，n = 34。

2）随机不确定度。随机不确定度 XQ′ 为标准差的 2 倍，即 XQ′ = 2 σe= 6.6%。根据《水文资料整编规范》要求，二类精度水文站 XQ′ ≤ 10%，关系线成果满足要求。

3）系统误差。实测点与关系线无明显系统偏离时，系统误差可采用实测点对关系线的相对误差平均值进行计算，则关系线的系统误差 p = - 0.25%。根据 SL 247—2012《水文资料整编规范》要求，二类精度水文站关系线系统误差 ≤ ±1%，关系线成果满足要求[3]12。

3.3 关系线检验

3.3.1 符号检验

进行符号检验时，分别统计测点偏离曲线的正、负号个数（偏离值为零者，作正、负号测点各半分配），按公式计算统计量 μ 值，小于查表确定的临界值，则认为合理，即接受假设[3]14。统计量公式为

表 2 黑林水文站量水堰实测和线上流量及偏离值相关计算表

式中：k 为正号或负号个数，根据表 2 第 4 列的数值转换，选取负号个数 k 为 19。

3.3.2 适线检验

按测点自变量值由低至高排列顺序，从第 2 点开始统计偏离正负号变换，符号变换记 1，否则记0，当后一个偏离值为 0，也记为 1。统计记“1”的次数（见表 2 第 5 列），按公式计算统计量 u 值，小于查表确定的临界值，则认为合理，即接受假设。计算公式如下：

式中：h 为符号变换次数，表 2 中符号变换次数总计为 14 次，h ＜ 0.5 (n - 1) 时作检验，否则不作检验。

3.3.3 偏离数值检验

进行偏离数值检验时，应按公式计算 p 的标准差σp和统计量 t 值，如 | t | 值小于查算表中给定的临界值，则认为合理，即接受假设。具体公式如下：

式中：σ 为标准差。

根据《水文资料整编规范》要求[3]16，临界值为 1.28， | t | = 0.45 ＜，合理，接受假设。

为有效保证黑林水文站低水期水位-流量关系线的合理、正确，对其进行了偏离数值检验、适线检验及符号检验。结果表明，三项检验全部合格，实测点均匀分布于拟合线的两侧，误差小，点距、线型合理。

3.4 运用效果分析

黑林水文站低水期水位-流量关系线成果获得批复使用后，低水期流量测验次数大大降低。统计量水堰使用前 20 a 流量测验资料，低水期年平均测流 105 次；量水堰投入使用后，低水期年平均测流8 次（校核定线成果），测次减少 90% 以上，测站人员由原来的 3 人较少到 2 人。通过 2 a 的成果校核，黑林水文站低水期水位-流量关系线稳定，测验成果平均误差为 0.49%，最大误差为 3.20%，精度较高。

4 结语

通过黑林水文站矩形量水堰的运用实践证明，矩形量水堰具有自由流态稳定，量水精度高的特点，可有效提高水文站低水测验精度，降低测站测验劳动强度。对水位-流量单一线进行进一步开发运用，通过编程，可实现低水流量实时在线，推进江苏省水文测报方式改革。量水堰工程值得在中小河流的水文测站中推广使用。注意当测验断面上下游工况发生改变时，需及时校核关系线成果。

不足之处，新建的矩形量水堰工程未能考虑到在大洪水过后可能造成量水堰堰前两侧挡墙处泥沙淤积的问题，需要引起重视。在今后的测站管理工作中，应及时清理堰前两侧挡墙处的泥沙，保证低水期水位流量关系的稳定。