基于改正动态水位方法的山区型中小河流流量自动监测方法

聂大鹏

(辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003)

山区型中小河流暴雨引发的洪水陡涨陡落，给水文监测的时效性带来很大的难度，面对突如其来的洪水，很难对其洪峰进行及时监测，从而影响防洪决策[1]。当前，全国山区型中小河流大都采用水文人工巡测的方式，一般采用走航式ADCP作为主要的流量应急监测方式[2- 6]，但这种方式往往存在测流人员安全得不到有效保障，测流时效性不高的问题[7]，尤其是在全流域出现大洪水的情况下，中小河流流量监测的时效性更难以得到有效保证。近些年来，流量自动监测一直得到研究，大体分为三种，第一种是采用固定式ADCP进行流量自动监测[8- 9]，但是这种方式的缺点在于当大洪水河流泥沙较大的情况下，这种方式受水体浑浊度增加影响，流量监测误差一般较大。第二种方式为非接触式高频雷达探测方法[10- 11]，这种方式也逐步在国内许多河流得到应用，不同区域的应用效果有所差异，其主要通过监测河流表面流速，通过建立表面流速和垂线平均流速之间的关系，来实现流量的自动监测。该方式的缺点在于表面流速系数需要进行率定，存在一定的工作量，此外全流域山区型中小河流都按照非接触式高频雷达，费用较高。第三种方式为建立稳定的水位流量关系[12- 13]，当前，通过中小河流防汛体系建设项目，各中小河流均安装了雷达水位计，结合雷达水位计，通过稳定的水位流量关系来进行流量的反推，从而实现流量自动监测，是一种较为行之有效的方式，常用的水位流量单值化方式大都针对大江大河站点，比如落差指数法[14- 15]，在山区型中小河流的应用还较少，此外由于中小河流洪水陡涨陡落，河道洪水冲淤影响大，很难使用适合于大江大河特点的水位流量关系单值化方法进行流量的自动监测。水位流量关系稳定的关键在于通过动态改正水位，使得其水位流量关系趋于稳定，从而实现流量的自动监测。

1 改正的动态水位方法

改正动态水位法适用于受经常性冲淤但变化比较均匀缓慢的测站，其水位—流量关系线变化有规律，向一方移动或线形多年变化不大。

将复杂的水位流量关系曲线，进行单值化处理。制定出一条标准的水位流量关系曲线，逐时水位通过改正，即可在标准曲线上直接推流，见改正动态水位法示意图(如图1所示)。

图1 改正动态水位法示意图

该方法的主要步骤为：

(1)结合历年水位—流量关系曲线绘制其标准曲线；

(2)在标准曲线制定基础上，对其水位改正数进行计算:ΔZ=Z-Zm；

(3)点绘水位改正数过程线；

(4)结合水位推求流量。

2 实例应用

2.1 站点概况

石城水文站是爱河上游的控制站，位于凤城市石城镇保安村，东经124°20′，北纬40°42′，集水面积1464km2。本站始建于2013年12月，由铁佛寺(二)站基本水尺断面下迁6270m而来，国家基本水文站，区域代表站，三类流量精度站，流域雨量站点、水系分布如图2所示。石城站测验河段顺直长约1500m，流心靠近河心，左岸为干砌石护坡，右岸为细沙缓坡。基本水尺断面左岸上游180m处有一小河汇入，253m处有保安大桥，高水时有阻水作用。低水时，基本水尺断面流速微小，需借用断面测流。河底多为粗砂卵石，断面稳定，不易冲刷。该站所在的爱河上游为典型的湿润地区山区性河流，洪水期水位暴涨暴落，水位变幅很大，降雨、径流量多集中于汛期。

图2 石城水文站内站点、水系分布

2.2 水文测验方式

石城水文站枯水期在基本水尺断面下游300m临时测流断面施测流量，涉水渡河，采用流速仪悬杆悬吊施测垂线流速，直接量距法(米绳)测距，测深杆测深。低水、中水在基本水尺断面下游253m桥上施测，水文桥测车桥上渡河，采用流速仪悬索悬吊施测垂线流速，桥上固定标志法测距，悬索铅鱼测深。高水考虑洪水流速过大及人员安全等问题，采用浮标法测流。按断面形状均匀布设测速垂线，垂线数目应满足流速仪常测法要求最少垂线数目。根据流速测点位置对水深的适应要求确定垂线流速测点数。由于中高水水位涨落变化急剧，适当减少测点数及测速历时，缩短测流历时，用于减少水位涨落差过大对流量成要精度的影响。

2.3 数据处理

为了简化展示水位流量关系线的改正过程，首先对将原始测量资料进行处理，去除和改正错误的点次，并对数据点进行平滑顺直处理。处理后的水位流量点次见表1。

表1 校正后的测点数据表

2.4 标准曲线的绘制

在图上绘制出各测点，通过直接定线法定出一条标准曲线，水位流量关系线见表2，历年水位流量关系线及标准曲线如图3所示。

图3 石城站历年水位—流量综合线及其标准曲线

标准曲线是通过对石城站历年水位—流量关系曲线制定的基础上，通过对其水位—流量关系曲线进行综合分析，计算每年(次)关系线与综合线各级水位的面积相对偏离百分数(A年-A综)/A综×100%。分析高、中、低各级水位断面稳定程度(最大相对偏离百分数绝对值(即外包线)小于3%属稳定，3%至6%属较稳定，大于6%属不稳定)，并计算各级水位相邻测次或年份(即年内或年际间)面积相对偏离百分数(A本-A上/A上×100%)，点绘断面面积变化过程图(即中水水位级的相邻测次或年份面积相对偏离百分数与时间关系图)，分析断面冲淤年际变化属经常性冲淤还是不经常性冲淤，分析断面历年变化趋势及规律。根据《水文巡测规范》，水位流量关系标准化处理后点较为密集，分布呈带状，并无明显偏离，系统误差绝对值一类精度水文站不大于1%，二、三类水文站不大于2%，且实测关系点据与关系线的定线误差符合允许误差指标者，可定其标准曲线。

2.5 水位动态改正过程线

计算对应同一流量的每一实测点水位与标准曲线水位的差值ΔZi，并绘制水位改正数过程线ΔZ—t(注意ΔZi符号的选择，若测点在标准曲线上方，则ΔZi为负值，反之为正值)。水位改正数结果见表3和水位改正数过程线见图2。

结合水位改正过程线，通过对实测水位进行改正，应用实测水位减去改正水位值，得到改正的水位，通过石城站水位改正过程线对不同时刻水位进行改正，从水位改正过程线可看出，当水位较地的区域，主要位于5～10点位处，主要对其水位进行正向校正，这段时间由于水位较低，断面冲淤变化较小，因此采用正向校正对其水位适当进行动态调整，而随着水位的不断增加，其水位改正数逐步减

表3 石城站水位改正数表

图4 石城站水位改正过程线

小，当位于15点位时，水位改正数达到最低，此时不需要对水位进行相应调整。随着水位的不断增加，高水位下河段冲淤变化影响加大，此时采用负向水位改正数对其进行动态调整，降低水位值，使其和断面流量受断面冲淤变化影响程度有所降低，负向水位改正数逐步减小，当位于30点位时，水位改正数逐步趋于最低点，此时属于断面水位—流量关系最为稳定的阶段。

3 流量精度检验

3.1 流量精度检验方法

3.1.1误差表达方式应符合规定

(1)水文站应按不同精度类别，分水位级进行各项误差分析。

(2)水位流量关系线的定线误差，以置信水平为95%的相对随机不确定度表示，系统误差以相对误差的均值近似估算。

(3)水位流量关系线间的并线误差、流量间测的水位流量关系线偏离误差、各种时段总量的误差和系统误差以相对误差表示。

3.1.2误差计算公式

(1)流量相对误差可按下式计算：

(1)

(2)相对误差的均值可按下式计算：

(2)

3.2 精度检验结果

通过计算各水位节点对应历年流量值与综合线对应流量进行对比，石城站站各水位节点对应历年流量值与综合线对应流量误差计算结果见表4。

在选用精度验证数据时，资料选取的原则为根据该站历史资料按年径流量进行排频，选取频率20%、50%、80%作为对应丰、平、枯水年，在近5年资料中选择与丰、平、枯水年径流相当的3年资料(尽可能选最近年份)进行分析，其中必须有一年实测流量的水位变幅占历年水位变幅的80%以上。从石城站各水位节点对应历年流量值与综合线对应流量误差计算结果可看出，现误差均在正负10%，那么综合水位流量关系线能满足汛期报汛使用，改正水位法为改正后水位流量关系直接定线，

表4 石城站各水位节点对应历年流量值与综合线对应流量误差计算结果 单位：%

其定线误差应满足场次洪水的定线要求。按照该方法每年可按水位级均匀布设流量测次，实行巡测。全年畅流期流量巡测测次不少于15次，实测流量相应水位变幅应控制当年水位变幅的70%。年最高、最低水位附近处应有流量测次。

4 结语

(1)本文方法的关键在于水位—流量标准曲线的制定，因此应选取频率20%、50%、80%作为对应丰、平、枯水年，在近5年资料中选择与丰、平、枯水年径流相当的3年资料(尽可能选最近年份)进行分析，其中必须有一年实测流量的水位变幅占历年水位变幅的80%以上；

(2)在对高水、低水水位流量关系线进行延长处理时，高水部分延长方法可选择顺势延长法、曼宁公式法、谢才系数法、参照历年线趋势法，而低水部分延长方法如顺势延长法、断流水位控制法。

(3)不同水位级下其水位—流量关系影响因素不同，在以后的研究中还需划分不同水位进行研究。