缸瓦窑水文站高洪流量测验方案初探

吴瑞钦

(广东省水文局湛江水文分局，广东 湛江 524037)

缸瓦窑水文站为广东省粤西地区九洲江流域控制站，洪水期防洪任务非常重要。在高洪情况下的水文测验中，该站的常规测验方法——缆道常规流速仪法、走航式ADCP法、固定式ADCP法由于受河中漂浮多的影响，从安全等因素考虑，要完成测验任务比较困难，因此，需寻找一种新的水文测验方法，解决缸瓦窑水文站高洪情况下的流量测验问题，从而在高洪时期流量测验的过程中，既保证安全，又确保资料精度，提高工作效率。

1 概况

1.1 水文站基本情况

缸瓦窑水文站位于九洲江下游(见图1所示)，国家重要水文站，为国家一类精度站，建于1955年4月，位于廉江市横山镇325国道排里大桥34 m处，主要测验任务有：水位、流量、降水量、蒸发量、水质监测等。

缸瓦窑水文站附近顺直河段长约为1 km，属于河槽控制，该站为九洲江流域控制站，集雨面积为3 086 km2，干流长为153 km，干流坡降为0.37‰。集雨区域多年平均降雨量为1 476.0 mm，但年内分配不均，4—9月约占全年降雨量的85%左右。流域暴雨洪水多发于4—9月，其中4—6月以锋面雨为主，7—9月主要由台风雨造成。缸瓦窑水文站实测水文数据特征值、特征水位分别见表1和表2。

图1 缸瓦窑水文站位置示意

表1 缸瓦窑水文站实测水文数据特征值

流量/(m3/s)水位/m最大最小最高最低3 3100.458.991.461994-06-101977-12-091994-06-102005-12-18

表2 缸瓦窑水文站特征水位(冻结基面，下同) m

1.2 流量测验方法

1.2.1流量测验方案

根据广东省水文局《关于缸瓦窑水文站在线测流系统扩大使用范围的批复》(粤水文技〔2018〕73号)的文件精神，本站流量测验方案，采用在线测流系统(H-ADCP)，进行实时流量监测法和缆道常规流速仪法相结合的方式进行，当在线测流系统(H-ADCP)出现故障和超出所批复的使用范围时，应立即缆道常规流速仪法测流[1]，缆道常规流速仪法作为标准方法对线测流系统(H-ADCP)进行校测。

流速仪测流断面位于基本水尺断面上游15 m处。常规流速仪测验方案为施测15～17条垂线一点法，实测水深，测速历时100 s[2-3]。

1.2.2流量测验断面情况

通过点绘2010年3月11日、2014年4月22日和2019年2月27日所测的流量测验断面成果[4]对照图(见图2)，可看到从2010年起由于当地河道抽沙的影响，河床略有下彻，但变化不算大，总体判断流量测流断面比较稳定。

图2 缸瓦窑水文站历年流量测流断面对照示意

2 垂线代表线法原理[2-5]

选择X条代表垂线，在相对水深0.6处测速，测点测速历时 100 s，特殊情况不少于60 s。其断面流速、流量计算公式：

V断=K×V代+C

(1)

Q=V断×A

(2)

式中V断为断面平均流速，m/s；V代为代表垂线的平均流速(1～3条，若2～3条则取其算术平均)，m/s；A为断面面积，m2；水道断面可借用临近测次断面资料。

K、C为换算系数。采用历史资料分析成果分析确定。

3 建立相关关系

3.1 采用资料

由于缸瓦窑水文站自2010年1月起采用在线测流系统(H-ADCP)推流，从2015年起采用走航式ADCP对在线测流系统进行校测，所以近年来缆道流速仪法测流次数比较少。本次收集缆道常规流速仪法测量洪水期流量测验资料33份，时间自2010年5月11日—2014年9月17日，测验水位为3.26～7.53 m之间，实测流量为480～2 730 m3/s之间， 断面平均流速为0.29～1.58 m/s之间。

通过试错法分析计算，本次采用的代表垂线是起点距为180 m的垂线，将起点距为180 m垂线的相对0.6水深处的流速，作为代表线平均流速与对应的断面平均流速建立相关关系，分析相关关系的精度。采用资料见表3。

表3 采用的流量资料数据

3.2 建立相关关系

根据所选定的33份流量资料代表线平均流速(起点距180 m)与断面平均流速绘制相关示意(见图3)，采用最小二乘法对V代与V断关系进行分析建立线性回归方程式[6-8]，得回归方程式：V断=0.895 3×V代+0.041 4；R2=0.993 9。

4 关系线精度分析

根据规范要求，对上述回归方程进行关系曲线适线检验[9]。结果及过程见表4所示。

图3 代表线平均流速与断面平均流速关系相关示意

表4 V代 ～V断关系曲线适线检验结果

水位流量关系测点标准差Se=2.7%，随机误差为5.4%≤ 8 %，达到规范规定的精度要求；系统误差为0.06%≤± 1 %，达到规范规定的精度要求。

检验计算：① 符号检验：n=33，K=16(K为正号个数)，u=0.00<1.15，认为合理,符号检验通过； ② 适线检验：n=33，不变换符号“0”次数为14，变换符号“1”次数为18, 变换符号次数大于不变换符号次数，免作适线检验； ③ 偏离数值检验：n=33，平均相对偏离值ΔP=0.06%，P的标准差S=2.70，ΔP的标准差Sp=0.47，统计量t=0.13，│t│=0.13<1.30，认为合理,偏离数值检验通过。

结果：上述3种方法对水位流量关系曲线的检验，均达到规范要求，认为定线正确。

5 流速精度对比分析

参与分析测次流量资料的流量进行对比分析(见表5)。

表5 代表线计算流量与实测流量对照

表5中，通过对采用代表线法计算得到的断面流量与实测流量进行对照，相对误差最大为-7.23%，相对误差≤±10%的比例达到100%，相对误差≤±5%的比例达到93.9%，相对误差≤±3%的比例达到75.8%，说明代表线平均流速和断面平均流速建立的相关关系可靠，精度高，可以应用在高洪情况下的流量应急测验工作中。

6 结语

通过对缸瓦窑水文站洪水期共33份实测流量资料(断面平均流速0.56m/s)进行垂线代表线法(垂线起点距180 m)分析，得到流速相关关系式：V平均=0.895 3×V代表+0.041 4，R2=0.993 9，相关关系良好，且该关系曲线通过了曲线适线检验，所推算出的相关系数可作为经验系数，在高洪时期流量测验的情况下，将起点距180 m垂线为代表线，作为缸瓦窑水文站高洪时期流量测验方案使用。同时可以将该方法推广应用到其他类似的测站中去。