基于水文测站测流垂线精简试验分析研究

赵敬瑛

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)

0 前 言

水文站常规测验方法按照国家《河流流量测验规范》GB50179-2015规定要求，当水面宽度高于50m需要布设超过5条以上的测流垂线，尤其是测流高洪水时，测流时间由于布设较多的垂线一般时间较长，抢测洪峰的时机较容易错失，流量测验的精度也很难得到有效保证[1]。近些年来，许多水文工作者展开对河流测流垂线精简的分析研究。程瑞修对八道河龙湾水文站进行测流垂线精简分析，研究成果表明垂线精简方案将有效保障八道河龙湾水文站洪峰流量测定的准确性及时效性[2]。唐伟霄基于多元线性回归模型对测流垂线精简分析，能够快速有效得到测流精简方案,且符合相关关系线检验及精度评定等规范要求[3]。赵静敏对北张店水文站枯期进行实测流量次数的精简分析，精简分析枯期每月实测流量的次数,以便可以准确推算逐日平均流量[4]。赵志鹏采用线性回归对何口水文站测流进行精简分析，通过线性回归分析的方法，找到与断面平均流速关联度比较高测点测速，来计算断面平均流速[5]。马清华以流速误差偏离计算方法对云南彝良水文站进行测线精简分析，简测测流方案将其作为高洪测流方案的一个有效补充[6]。孟顺卿对黄河小川水文站流量测验方案进行精简分析，对测流垂线的精简分析，可以合理优化相关测验方案,达到减轻劳动强度和提高测验效率的目的[7]。骆光晓对水文站非汛期实测流量次数进行分析，重点分析常年驻守基本断面的水文观测实施非汛期巡测的可行性[8]。宋茂峰对流速仪测流法进行精简分析，通过对比试验分析表明精简精度可以满足测流需求[9]。慕明清对无定河白家川站流量测验方法进行精简分析，分析确定平水期流速仪一、两点法测流适合于该站点的测流方案。通过以上研究表明水文测站测流垂线精简研究，可以降低测流劳动强度，提高测流效率，但均需要对精简方案的测流精度进行比测分析，为此文章以本溪地区的南甸水文站为研究实例，对该站点的测流垂线精简方案进行研究，研究成果对于本溪地区的测验方式具有参考价值。

1 水文站测流垂线的布设要求

不同类型水文测站垂线数目按照《河流流量测验规范》要求需要满足6个原则要求，各原则为：

1)垂线精简方式：对于水文测站可进行测流垂线精简分析的，在传统测验垂线布设方案基础上进行测流垂线最优精简化方案的分析。

2)不同垂线之间宽度设置：为降低流速测定垂线的数目对测流随机以及系统误差的影响，需要对各条测流垂线之间的宽度进行优化分析，各垂线之间宽度与水面总宽度之间的比例需要按照水文站类别进行设定，其中一类水文站在不同水位级之间的比例应控制在7%-10%范围内，二类水文站的比例应严格控制在8%-11%之间，三类水文站比例严格控制在为9%-12%之间。

3)适当调整垂线的条数：对于水面宽度或者断面宽深比较大的站点，或是河床组成较为复杂的站点需要对测流垂线的条数进行优化调整，满足测流精度的要求。

4)测流垂线的调整布设：对于由于水文特征变化显著使得为精简测流垂线分析的站点，垂线数目较少或者测点较少不能满足测验精度要求时，应适当减少测流垂线的数目，但水面宽度低于50m时测流垂线的数目不能低于5条，应使得其测流的精度不能低于浮标方法进行测流的精度。

5)测流垂线布设的位置和数目：河槽主流摆动剧烈或者河床较为不稳定的水文站点，

在流速变化较为紊乱的河流测流垂线不宜布设较少的数目，在河道主槽区域尽可能布设多条测流垂线。

2 测流垂线精简后的测流精度评定

通过对站点地质、河流形态、流速特征、水位流量变化数据数据和处理后，通过对垂线精简前后流量测验误差进行精简方案的适用性分析，不同水位级需要对应不同的测流方案，在较为稳定的水流条件下进行测流误差的试验分析。此外，按照不同类别的水文站进行流量误差试验分析的水位变幅的设置，各类水文站水位变化幅度分别低于0.1m(一类)、0.3m(二类和三类)，测流垂线精简化下测流次数一般在不同水位级下不能少于15次，测流垂线精简分析在大洪水时分析时具有较大的难度，因此精简误差分析一般要求在水流较为平稳的情况进行。测流垂线精简在不同水面宽度下的精度要求见表1。

表1 垂线精简精度评定要求

3 实例分析研究

3.1 测站概况

南甸水文站位于本溪县南甸镇小峪村，E124°24′，N41°16′，始建于1958年1月，集水面积765km2，为区域代表站，国家基本站。流量测验精度为三类，泥沙测验精度为三类。主要观测项目有：水位、流量、输沙率、单位水样、冰情、降水、比降、水情拍报、普通测量、地下水位、水文调查等十一个项目。南甸水文站建站以来最大洪峰出现在1960年8月4日，流量3800m3/s，最高水位289.00m。1960年8月出现历年最大流速4.00m/s。河段顺直长约800m，高水时河宽约180m，水位达289.50m时，左、右岸同时跑滩，左岸滩地宽540m，右岸滩地宽约200m，基本断面上270m处有漫水桥一座，断面冲淤变化较小，具有稳定的水位流量变化关系。

3.2 不同垂线下流速相关分析

基于南甸水文站垂向流速的变化分布以及水面宽度情况，设置10条测流垂线，各垂线的起点距分别为：55m、69.5m、85.3m、94.6m、101.5m、109.2m、118m、129.3m、138.5m、150m，建立不同测流垂线的流速相关性，见图1。

(a)1#垂线(起点距：55.0m)

(b)2#垂线(起点距：69.5m)

(c)3#垂线(起点距：85.3m)

(d)4#垂线(起点距：94.6m)

(e)5#垂线(起点距：101.5m)

(f)6#垂线(起点距：109.2m)

(g)7#垂线(起点距：118m)

(h)8#垂线(起点距：129.3m)

(i)9#垂线(起点距：138.5m)

(j)10#垂线(起点距：150.0m)

本溪南甸水文站按照《水文测验手册》测点综合精简分析要求需要布设10条垂线，从各垂线测定流速和断面平均流速的相关性分析可看出，两者具有较好的相关性，各垂线相关系数总体均在85以上，起点距对垂线测定流速和断面平均流速相关性影响程度较低。从各垂线中选取相关性较好的两条垂线(起点距为94.6m和起点距为150.0m)以及相关性较好的3条垂线(起点距分别为94.6m、101.5m、150.0m)，作为本溪南甸水文站测流垂线精简方案。

3.3 垂线精简后流速相关性分析

分别对两条和三条垂线精简方案的测定的断面平均流速和垂线流速的相关性进行分析，如图2所示。

(a)两条垂线

(b)三条垂线

采用两条垂线进行测流精简方案后，其垂线测定的流速和断面平均流速之间的相关系数为0.8005，而采用三条垂线进行测流精简方案后期测定的垂线流速和断面平均流速之间的相关系数也可达到0.8148，三条测流垂线精简方案的流速相关性好于两条垂线精简方案下的流速相关性，但两条测流垂线精简方案下的流速测定精度也可满足流速相关性要求足。

3.4 测流垂线精简前后精度分析

采用对比观测试验的方式对两条测流垂线和3条测流垂线精简方案下的流量误差进行分析，误差分析结果见表2和表3，并采用测流垂线精简方案统计分析了16个实测数据样本下的误差允许范围，误差统计结果见表4。

表2 两条测流垂线精简前后精度分析

表3 3条测流垂线精简前后精度分析

表4 流量测定误差范围统计结果

南甸水文站测流精度为3类，3类精度站点流量允许误差按照《河流流量测验规范》GB50179-2015要求，进行测流垂线精简方案后期测流允许误差的范围在±4.0%以内，采用两种测流垂线精简方案下的误差均可满足南甸站水文测验的规范要求，且采用三条测流垂线精简方案的效果要好于2条测流垂线的误差值。从误差范围统计结果可看出，两条和三条测流垂线误差±6.0%以内的累积频率在97.2%-98.5%之间，按照《河流流量测验规范》GB50179-2015要求当累积频率达到50%既可以认为系统误差，通过分析各测流垂线精简方案下的系统误差均可<2%，表明测流垂线精简方案可以满足测流精度要求，方案可行。

4 结 语

由于本溪地区河流洪水暴涨暴落，洪水历时短，南甸水文站在未进行测流精简前，在高水位需要布设10条垂线，传统测流方式时效性不高，通过精简对比分析，在高水位应急测流时，可采用三条和两条的应急测洪方案，提高测流时效性；对于洪水期冲淤变化较大的断面，对测流垂线还需加密布设，避免不能及时观测到洪峰和洪水过程，此类站点需要积累一定的流量测验数据后开展测流垂线的精简方案分析。