代表垂线法在中高水流量测验方案的应用

郝金义 肖博文 徐新学 饶勇

摘  要：本文依据谷城站2007-2010年实测流量资料、测验河段及河道断面的特点，针对上游电站泄流频繁、水位漲落急剧情况，提出中高水流量测验方案中采用代表测速垂线与断面平均流速间的综合关系，提出适合该站水流特性的中高水流量测验方案，验证该方法的可行性和有效性。

关键词：水文测验;测验方案;代表测速垂线

中图分类号：P332.4      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）14-0096-03

Application of Representative Vertical Method in Medium and

High Flow Measurement

HAO Jinyi，XIAO Bowen，XU Xinxue，RAO Yong

（Hanjiang Hydrological and Water Resources Survey Bureau，Hydrological Bureau of Yangtze River Water Conservancy Commission，

Xiangyang  441022，China）

Abstract：According to the measured flow data，the characteristics of the measured river reach and river section of Gucheng Station from 2007 to 2010，and in view of the frequent discharge and sharp fluctuation of water level in the upstream power station，a comprehensive relationship between the vertical line of velocity measurement and the average velocity of cross section is proposed in the middle-high flow measurement scheme，and a middle-high flow measurement scheme suitable for the flow characteristics of the station is put forward to verify the feasibility of the method. And effectiveness.

Keywords：hydrological test;test scheme;representative velocity vertical line

0  引  言

谷城水文站是汉江一级支流南河基本控制站，属国家二类（流量）精度站，始建于1936年7月。自1980年9月以来，该站主要为上游电站泄流形成。由于汛期上游电站闸门开启较为频繁，水位陡涨陡落，使得流量测验较为困难，特别是在电站泄洪，形成中高水时，流量测验十分困难;缩短测验历时、优化测验方案是解决该站流量测验困难的重要手段。本文提出了一种以代表测速垂线为主的流量测验方案，以达到便于施测、减轻测验劳动强度和提高工作效率的目的。

1  测流基本特性

1.1  测流断面概况

谷城水文站测验河段顺直，上游有弯道控制，测流断面两岸均有堤防控制，左岸为卵石河床，右岸为“卵石夹沙”边滩，河床较稳定。测验断面形状及变化情况如图1所示。

由图1可知，河流主槽在左岸，断面变化较小，河床比较稳定。

1.2  测流断面概况

由多年的实测资料可知，该站在中低水时受河槽控制作用弱，并受其他影响因素影响，低枯水时水位-流量关系为临时曲线;中高水时水位-流量关系呈单一线，且历年趋势基本一致。

2  中高水代表测速垂线与断面平均流速关系分析

2.1  代表测速垂线的选择

以该站原有《水文测验任务书》规定的以固定测速垂线为基础的多次流量实测资料来进行应用分析，滑动选取测速垂线，优选代表性较好的，即起点距80m、140m、175m的3条垂线为代表垂线组合，计算其平均流速V代表，然后对代表测速垂线平均流速V代表与原实测断面平均流速V断面进行相关分析。

2.2  高水期资料的选取与代表测速垂线的分析

选择该站2007-2010年高水期的实测流量资料作为分析资料。

下面以代表测速垂线计算的算术平均流速V代表为纵坐标，以原实测断面平均流速V断面为横坐标，绘制V代表-V断面关系线，进行误差分析，如图2所示。

从图2中可看出代表测速垂线平均流速V代表与原断面平均流速V断面呈带状分布，相关方程为：

由上述分析可知，原断面平均流速V断面与代表测速垂线平均流速V代表呈直线变化，具有较强的代表性，故可通过代表测速垂线的测量来计算断面平均流速。

在建立了代表测速平均流速-断面平均流速关系后，当断面流速分布发生改变时，我们可通过代表测速垂线调整重新率定关系，建立新的代表测速平均流速V代表-原断面平均流速V断面关系。

为了进一步验证说明该站所点绘的高水期V代表-V断面关系线的合理性，下面对图2进行曲线检验，结果如表1所示。

以上检验结果说明，该站高水期V代表-V断面关系系数选定结果符合规范要求。

2.3  中水期资料的选取与代表测速垂线的分析

选择该站2007～2010的实测流量资料进行整理分析，通过筛选，依然采用起点距80m、140m、175m的3條垂线为中水期代表测速垂线，建立V代表-V断面关系曲线，分析方法和步骤同高水期，如图3所示。

从图3中可看出代表测速垂线平均流速V代表与原实测断面平均流速V断面各关系点分布比较均匀，绘制中水期V代表- V断面关系式，其相关方程为：

由代表测速垂线根据式（2）计算查线值，然后与原实测断面平均流速V断面进行误差统计分析，即对该站所定V代表- V断面关系式进行检验，结果如表2所示。

由计算结果可知，各项误差检验均符合《水文资料整编》规范要求，根据式（1）和式（2），用该站中高水的代表测速垂线的算术平均流速来推算断面平均流速，使用相应实测断面面积进行了流量计算，并与原实测流量进行了误差分析，高水系统误差为-0.90%，随机不确定度4.62%;中水系统误差为0.56%，随机不确定度5.77%。分析结果符合《河流流量测验规范》（GB 50179-93）表4.1.4规定。

3  借用大断面资料计算流量的可行性分析

根据流量计算公式Q=FV断面可知，断面流量等于断面面积（F）和断面平均流速（V断面）。由上述分析可知，断面平均流速可以通过施测代表垂线来计算算术平均流速，利用式（1）和式（2）查算求得，对于大断面面积的确定，可以采用实测或者借用已测大断面资料（应用时需进行可行性分析）两种方法均可。本文对在实测困难时，借用临近实测的大断面资料是否可行进行了相关分析。

根据2007-2010年汛前大断面成果，直线插补出各固定垂线的河底高程，分析比较，发现2007-2010年各固定测速垂线河底高程变化比较小，如图4所示。

鉴于该站断面比较稳定，借用大断面成果来计算断面面积，与2007-2010洪水实测流量断面面积来比较，根据式（1）和式（2）利用代表测速垂线V代表查算断面平均流速、乘以借用断面面积计算流量与实测流量进行误差统计分析，如表3所示。

通过代表测速垂线和借用断面面积计算流量与原实测流量误差分析，高水系统误差为-0.35%，随机不确定度为4.44%;中水系统误差为0.17%，随机不确定度为5.72%。分析结果符合《河流流量测验规范》（GB 50179-93）表4.1.4的规定。

由上述分析可得出结论，在水位陡涨陡落或者实测水深困难时，该站断面面积可借用临近实测大断面成果来计算。

4  流量测验精简方案

根据上述中高水代表测速垂线的应用分析及借用断面资料计算流量的可行性分析结果，确定该站流量测验方案为：

（1）中高水期，在固定垂线80m、140m、175m施测垂线平均流速，垂线平均流速施测方案按测站任务书规定执行，计算代表代表测速垂线算术平均流速，根据式（1）和式（2）计算断面平均流速（V断面）。

（2）该站断面面积比较稳定，在水位涨落急剧或实测水深比较困难时，可以直接借用实测大断面成果计算断面面积（F）。

（3）根据公式Q=FV断面计算断面流量，即为单次测流成果。具体测验方案如表4所示。

5  结  论

通过对该站中高水代表测速垂线计算的算术平均流速V代表与原实测断面平均流速关系V断面的分析，确定流量测验精简方案，使得测速垂线由原规定的多条减至3条，且在水位涨落急剧或实测水深比较困难时，可以直接借用实测大断面成果计算断面面积，有效缩短了测验历时，极大地提高测验效率，操作简便，可行性强，具有很强的适用性。

参考文献：

[1] 中华人民共和国水利部.GB 50179-93 河流流量测验规范 [S].北京：中国计划出版社，1993.

[2] 中华人民共和国水利部长江水利委员会水文局.SL247-1999 水文资料整编规范 [S].北京.中国水利水电出版社，1999.

作者简介：郝金义（1982-），男，汉族，河南林州人，工程师，本科，研究方向：水文监测与水文分析计算。