单值化处理匹里青水文站水位流量关系的方法探析

关丽娜

(伊犁水文勘测局，新疆伊宁835000)

1 水文站概况

匹里青水文站位于新疆伊犁州直伊宁县喀拉亚尕奇乡喀拉亚尕奇村，距离伊宁市33 km。设立于1956年，担负着监测、收集水文资料的工作。该站测验河段基本水尺断面两岸为峡谷，河槽底部由砾石组成，呈矩形河槽，测流断面在峡谷上游20 m处，呈U型河槽，两岸由粘土及卵石组成，河槽由砾石组成，植被较差，冲淤变化较大，中高水时，测流断面有壅水现象，基本水尺断面峡谷处水流湍急，主流在峡谷以上摆动不定，因此其水位流量关系也一直比较复杂，在断面整治以前，测站每年流量测验任务繁重，耗费大量人力及物力，且资料质量不高，年评审资料往往为良或中等。

图1为匹里青水文站水位断面人工堰建设前2011年实测的水位流量关系，水位关系线达到20多条，说明测验断面极不稳定，关系散乱。根据《水文资料整编规范》，匹里青水文站属于水位流量关系复杂的非单一线水文站，应通过比降、落差等水力因素进行其水位断面单值化整治和水位流量关系矫正，实现水位流量单值化。

图1 匹里青水文站改建前水位-流量关系

2 单值化处理匹里青水文站水位流量关系

2.1 处理措施

在中小河流项目开展前，为解决匹里青站水位流量单值化问题，伊犁局做了大量的试验工作，2008年在将原测流断面下迁后，将水位自记断面放置在峡谷出山口处，并且在峡谷段内投放三角混凝土墩，以期人工改变水力因素，低水期效果还好，但是在洪水期，洪水冲刷投放物后效果就不理想，在试运行2年后放弃；后又将自记水位计安置在峡谷中段，直至运行至2013年底，效果依旧不理想；2013年中小河流项目建设开始，伊犁局对此高度重视，主要领导多次到匹里青站实地调研，召集各相关部门，对建设中存在的问题，提出解决方案和措施，经过多方位研究，确定将水位断面上迁至测流断面上游近126 m处，该位置上断面两边为山体基岩，且断面宽度较小水流集中，不易冲淤，处理方式为在横断面上用混凝土现浇人工堰，并且在中间部分留有集水槽，在槽内安装钢板水尺，低水时水流集中在槽内，左岸边安装自记水位计，水位计探头伸至槽上方，这样既解决了高水期自记也解决了低水自记问题，且两岸采用铅丝笼护岸处理，该水位断面人工堰建设在2013年11月完成，2014年投入使用，经过2014年与2015年度的使用情况来看，效果非常乐观，其水位流量单值化作用很明显，在减轻人力物力的前提下，资料质量及精度有了大幅度的提高。

从图2中可以确定，匹里青站水位断面单值化整治是成功的，在2015年6月匹里青发生有实测资料以来最大洪水期间，测流堰主体及两岸护岸设施经受了考验，改建项目工程在大洪水期间发挥了抢测洪峰方便、测量精度高的要求，项目建成后运行效益显著。

图2 匹里青水文站改建后水位～流量关系

2.2 匹里青水文站改建后水位流量单值化分析

2.2.1 资料选用

为进行匹里青水文站改建后水位流量单值化分析，选用最近的2014年～2019年共6 a的连续资料序列，按照自治区水利厅所批复的水位级划分标准，匹里青水文站水位低于83.4 m为低水位级，水位在83.4 m～86.5 m之间为中水位级，水位高出86.5 m为高水位级。根据《水文巡测规范》，巡测水文站测流误差资料必须为连续7 a以上的资料系列，并应包括低中高水年水情资料，不同水位级数据样本至少30个。匹里青水文站2014年～2019年实测水位流量资料系列中最高水位为2015年的86.35 m，最低水位为2019年的79.81 m，最高水位并未达到规范规定的该测站高水位级，通过分析该水文站建站以来水文资料，只有1971年、1979年、1998年等为数不多的年份最高水位达到高水位级，可见，匹里青水文站进行水位流量单值化分析所选用水文资料在客观上难以满足规范标准。为此，只能选用测站2014年～2019年实测水位流量资料，并在2020年以后出现高水位级数据再重新进行分析。本文对匹里青水文站水位流量关系单值化处理的方法已获自治区水文水资源局审查通过。

2.2.2 单值化处理程序

水位流量关系单值化处理首先应当按照相关规范收集水文测站水位流量数据资料，在进行资料可靠性、代表性和合理性分析的基础上，按低中高水位级进行单值化分析。中高水位级应根据水位流量关系点据进行关系线误差与相对随机不确定度分析，并进行测次精简前后分析定线误差。低枯水位级应分析测次精简前后时段年总量W年和低枯水总量W枯的误差。考虑到匹里青水文站1956年建站以来，实测水位流量资料系列中只有1971年、1979年、1998年等为数不多的年份最高水位达到高水位级，而且2014年～2019年实测水位流量资料系列中最高水位为2015年的86.35 m，并未达到规范规定的该测站高水位级，所以单值化处理不考虑高水位级情况。

2.2.3 中水位级定线误差

《水文巡测规范》规定，水位流量关系点据密集，呈带状分布且无明显偏离，二类精度测站中水位级实测关系点据与关系线相对随机不确定度小于10%，低水位级不确定度小于12%，应采用单一线法定线单值化处理[1]。匹里青水文站历年水位流量关系线通过符号、适线、偏离数值三种检验，各项误差均控制在《水文资料整编规范》所规定的定线精度要求范围内。以2014年～2019年共6 a的水位流量连续资料序列进行历年水位流量关系线定线可以看出，中水以上单一性良好，而低水以下部分表现为两个系列。具体分析结果见表1。

表1 匹里青水文站单一线法定线分析结果

通过表1分析结果可以看出，匹里青水文站2014年～2019年综合水位流量关系线及2016年～2019、2014年～2019中水位级水位流量关系线定线误差和实测关系点据与关系线的相对随机不确定性完全符合《水文巡测规范》对二类精度水文站定线系统误差的规定，所以匹里青水文站中水位级水位流量关系可定单一线。

表1 大断面测次控制

2.2.4 低枯水期定线误差

按照《水文巡测规范》对二类精度测站低水位级实测关系点据与关系线相对随机不确定度误差的规定，根据低水位级水位流量单值化前后关系线推流的低水位枯水总量相对误差符合规范标准，则可定单一线[1]。在年水文资料整编数据库内录入匹里青水文站2014年～2019年单值化后的水位流量关系线节点，并用单值化处理的水位流量关系线替代原关系线，重新整编所在年水位流量资料，可根据单值化处理后水位流量关系线推流逐日平均流量数据表中的年总量W年和低枯水总量W枯，并根据《水文资料整编规范》低枯水期误差指标允许值按趋势延长估算[2]得出中低枯水总量相对误差允许值，所确定出的W年相对误差和W枯相对误差符合规范要求，具体见表2。

表2 低枯水期定线误差分析结果

通过以上分析可知，匹里青水文站2014年～2019年单值化前后水位流量关系所推测的W年相对误差和W枯相对误差均符合规范规定，所以低枯水期应定单一线，见图3。

图3 匹里青水文站低枯水期单一线图

3 结论

匹里青水文站作为伊犁河干流北山区中小河流区域代表站，自1956年建站以来收集了近60 a的水文资料，由于测验断面河床冲淤变化频繁、河道主流摆动较大，造成水文测验困难、水位流量关系散乱，资料精度降低。在中小河流一期建设当中，为从根本上解决该站测验上存在的问题，经多方研究论证后对原批准的建设项目进行变更，采用修建测验河段护岸、断面整治、人工堰等工程建设形式，解决了水位流量单值化问题，通过项目的实施完成和运行结果来看，项目建设目标基本达到，运行效果显著。