长沙水文站电波流速仪高洪方案比测分析

梁文胜，梅 鹍

（长沙水文水资源勘测中心，湖南 长沙 410014）

1 基本情况

1.1 测站基本情况

长沙水文站位于长沙市湘江大道朱张渡下游80 m，东经112°58′，北纬28°11′，距河口60 km，集水面积83 020 km2。测验河段由橘子洲头分为左分河、右主河。上游4 000 m 以上建有猴子石大桥，下游2 370 m 处建有桔子洲大桥。主河床由卵石夹沙组成。左岸为花岗石护堤，右岸为钢筋混凝土防洪墙。基下18 m 处有自记水位井一座，警戒水位36.00 m，保证水位38.37 m，水位达37.80 m 左右时桔子洲开始漫滩。长沙水文站为一类精度站。历年最低水位24.63 m（冻结基面），历年最低水位24.63 m，历年最高水位39.51 m（冻结基面），2019 年最高水位38.35 m。

1.2 比测仪器

本次比测的仪器为Decatur 手持式电波流速仪。长沙水文站采用Workhouse R5 型ADCP 实测流量成果。R5 型平面相控阵变频智能ADCP 采用频率合成技术，根据水深变化自动调节工作频率、自动调节剖面单元大小，以适用大范围水深变化的测流断面。

2 比测目的和内容

长沙水文站为湘江一类精度水文站，日常水文测验项目为：水位、降水，流量项目根据防汛抗旱要求进行施测。长沙水文站常规流量测验方法为ADCP 测流，正常情况下可以进行湘江流量测验。为确保高洪时段ADCP 等常规流量测验方法无法进行的情况下，长沙水文站能及时施测流量，为防汛工作提供及时准确的水情信息，制定了长沙水文站高洪流量测验方案。该方案采用电波流速仪在猴子石大桥上施测湘江表面流速，计算断面虚流量。通过同步实测流量与虚流量建立相关关系，率定断面虚流量系数，由虚流量与虚流量系数之积，求得湘江长沙站流量。

3 流量测验方案

1）ADCP 测流方案

由于长沙水文站基本水尺断面为复式断面，不适合ADCP 测流。为了提高流量精度，避开浏渭河和捞刀河入流对湘江流量的影响，ADCP 测流断面选择在湘江长沙水文站基下7.5 km（浏渭河入湘江口的上游400 m 处）。

ADCP 过河方式采用动力船拖拽过河。ACDP 测流计算水位采用长沙水文站水位。

2）电波流速仪测验方案

电波流速仪高洪断面位于长沙水文站上游4.2 km（猴子石大桥上游50 m 处）。在高洪断面起点距为150 m、300 m、450 m、600 m、750 m 处布设测速垂线。工作人员站在猴子石大桥上，手持Decatur 电波流速仪，面向湘江上游施测表面流速。猴子石大断面实测成果如表1。

表1 高洪断面成果表

4 电波流速仪测流情况

2019 年7 月9～19 日，水位从31.72 m 上涨到38.35 m。湘江长沙水文站采用高洪方案测流，用电波流速仪在猴子石大桥断面共测得洪水过程22 次。

5 长沙水文站流量与电波流速仪虚流量关系分析

1）电波流速仪系数分析方法

比测期间绘制长沙水文站实测流量过程线，为了提高长沙水文站流量过程资料的合理性和分析精度，参照上游湘潭水文站实测流量过程线趋势，对长沙水文站实测流量过程进行修正。

为计算方便，提高高洪测流方案可行性、降低方案难度，高洪断面电波流速仪流量计算直接采用长沙水文站水位。虽然长沙水文站基本水尺断面和高洪断面水位存在一定差值，但由于湘江高洪期间，水面落差小且变幅小，其落差影响反映在综合虚流量系数中。

根据电波流速仪测流时间，查读长沙水文站连实测流量过程线上的流量。通过建立电波流速仪虚流量和实测流量过程线的同步流量两者之间的相关关系，从而率定电波流速仪综合虚流量系数K电。

2）长沙水文站ADCP 测流情况及实测流量过程线修正

7 月9～19 日间，长沙水文站采用走航式ADCP 在湘江长沙水文站基下7.5 km（浏渭河口上游200 处）实测洪水过程16 次。实测最大流量23 900 m3/s，相应水位38.28 m。实测最小流量5 650 m3/s，相应水位33.82 m。为了消除测验误差，提高长沙水文站分析流量精度，对长沙水文站实测流量过程线中与湘潭水文站的实测过程趋势不一致的局部流量过程，按湘潭水文站流量过程趋势进行插补，使两者趋势一致。

3）长沙水文站流量与电波流速仪虚流量关系确定及误差分析

根据电波流速仪测流时间，查读长沙水文站连实测流量过程线上的流量，共得22 组数据，见表2。

表2 电波流速仪虚流量和查线流量表 m3/s

点绘长沙水文站高洪方案施测的电波流速仪虚流量和相应时间的长沙水文站查线流量数据图发现，二者之间数据呈带状。两组数据进行直线拟合，电波流速仪虚流量系数为0.610 3，其相关关系R2为0.982 1。电波流速仪虚流量与查线流量拟合相关关系见图1。

图1 长沙水文站流量～电波流速仪虚流量关系图

误差分析：ADCP 测流断面与长沙水文站高洪方案中电波流速仪测流断面区间汇入的较大支流仅有龙王港。龙王港流域面积154 km2，占长沙水文站控制流域面积0.19%。本次电波流速仪系数分析比测采用2019 年7 月9～17 日特大洪水过程的实测数据，期间龙王港流域代表站梅溪湖站降雨量29 mm，最大日降雨量13 mm。龙王港流域降水少，受湘江顶托，汇入湘江流量小，故其汇入流量可以忽略不计，可以近似认为电波流速仪测流断面和长沙水文站ADCP 测流断面流量相等。

根据公式Q=0.61×Q虚+7 444，计算电波流速仪流量。将电波流速仪流量与查线流量进行分析，进行三线检验，结果见表3。最大误差为3.5%，最小误差为0.0%，标准差2.0%，系统误差0.0%。电波流速仪流量误差满足规范要求。

6 结 论

1）电波流速仪实测流量与长沙水文站查线流量关系符合直线关系

最大误差为3.47%，最小误差为0.01%，标准差2.0%，系统误差0.0%。比测水位变幅占历年变幅的92%。原始分析资料准确、可靠，比测成果合理。

2）长沙水文站流量计算公式

Q=0.61×Q虚+7 444

式中 Q——湘江长沙水文站流量（m3/s）；

Q虚——电波流速仪虚流量（m3/s）。

3）测验条件要求

电波流速仪流量测验建议避开大风、大雨期。本方案施测流量需满足以下条件：

表3 长沙水文站电波流速仪流量关系曲线检验

①长沙水文站流量大于14 000 m3/s（适用高于警戒水位36.00 m）。

②电波流速仪测流断面在长沙站基上4.2 km。

③流量测验方案按5 根测速垂线均匀分布。

④采用电波流速仪面向湘江上游施测湘江流速。

⑤断面、流量计算均采用长沙水文站水位（冻结基面）。