臧格庄水文站枯水期流量测验精度探讨

（山东省烟台市水文局 烟台 264001）

1 概况

臧格庄水文站位于清洋河流域系大沽夹河西支流，山东省栖霞市臧家庄镇臧家庄村，东经120°59′，北纬37°28′。流域形状呈扇形，断面以上流域面积458km2，流域长度30.5km，流域平均宽度15.0km。干流长度28.7km，干流平均坡度4.33‰。上游20km 处1961年1月建成庵里中型水库一座，基本断面以下约300m 有山东河汇入，下游约28km有门楼水库水文站。

该流域属东亚季风区大陆性气候，气候温和，四季分明。多年平均气温11.5℃，七、八月份最高，达38℃，最低温度-17.3℃，年无霜期222 天，历年最大冻土深0.5m，平均风速4.5m/s。多年平均蒸发量1186.5mm，4—6月达475.7mm，占全年蒸发量的40.1%。气候特点是：春季常刮大风，多以西南风为主，空气相对干燥；夏季麦收前后伴有冰暴灾害天气，汛期湿热多雨且降水集中，时有台风登陆，形成暴雨洪水；秋季天气凉爽，风向较乱，个别年份甚至有连绵阴雨发生；冬季干冷、雨雪稀少，多北风或西北风。

臧格庄水文站流域降水年内分配不均匀，多年平均降雨量为667.6mm，年最大降水量为1177.7mm，年最小降水量为344.0mm，极值比3.4。臧格庄水文站的径流主要由大气降水补给，上游中型水库庵里水库流域面积较小，故该站径流随时间的变化过程十分复杂，尤其在汛期，径流变化特点与降水相似。汛期6—9 四个月多年平均径流深占全年的80%。从严格意义上来说，臧格庄水文站当上游未发生有效降雨或水库放水时，河道年际分布均处于枯水段。

2 枯季流量测验发现的问题

取2018年臧格庄水文站枯水期部分实测流量资料进行分析（见表1），发现18 号测次水位与1 号测次水位相同，但实测流量较1 号测次增加了33%，分析两次流量测验过程可知，两次流量测验均在基下250m 处涉水施测，平均水深及断面面积等要素未发生变化，由于处于冬季枯水期，河道无冲於、水生植物、结冰、人类活动等导致河道变化的原因，发现断面平均流速增大了33%，得到了流量变大的主要原因。其他要素未发生变化，而断面平均流速发生变化，需进一步进行分析。

增加14、17 测次与1、18 测次进行共同比对分析，绘制水位流量关系线如图1所示。根据臧格庄站实测流量成果表，14—16 测次属于平水段，17、18 测次属于落水段，故17 测次水位应大于18 测次水位，这从两次流量数据可以佐证。但17 测次与之前稳定流的5.13m 水位时流量相差较大（20%），故17 测次水位应大于5.12m 但未到达5.13m，暂记为5.127m；18 测次水位应大于5.12m 但小于5.127m，暂记为5.123m，绘制水位流量关系线如图2所示（此处应具体分析，臧格庄水文站P3 水尺零点为4.000m，若水尺零点毫米位不为零，应按照原水位取舍后再加水尺读数得到调整水位）。

表1 臧格庄水文站枯水期部分实测流量特征值表

将17、18 测次水位变化后，趋势线由图1变为图2，可见线性更加符合实际情况并且相关性较高。进一步调整17、18 测次水位毫米位，得到图3。

可见，当17 测次水位记为5.126m，18 测次水位记为5.124m 时，水位与流量完全相关，在无其他条件影响下较为符合实际情况。由图1至图3的变化过程不难看出，水位的取舍值在枯季测流过程中对流量数据合理性检验起到了一定的作用。

以臧格庄水文站多年定线的经验来年，中高水为单一线，符合定线要求，低水由于水位流量关系差而采用连实测过程线，流量施测频次为3～5 天。通过上文分析几个测次的实测数据不难发现，存在水位精读不够而导致的误差，在进行水位精读的调整后可以提高水位、流量的相关性。

3 各要素对测验精度的影响

3.1 水位

由于水位读数采用的水尺牌为厘米级，精读厘米，估读毫米，所以在实际水位观读时容易出现读数精读偏差。像调整后的1.126 实际读数为1.13，1.124 读数为1.12，实际读数虽然符合水位观测规范，却在实际定线过程中产生相关性不高而采用的连实测定线方法，使得测站的工作量加大。

臧格庄水文站基本断面下游220m有拦河闸一处，拦蓄水量，加之清洋河河道多年无较大洪水，致使河道内芦苇丛生，断面死水面积较大。根据2018年实测大断面资料，水位5.12m 时，基本断面面积为102.67m2，水位5.13m 时为103.88m2（为进行数据分析，故未按要求进行有效位数的保留），二者相差1.21 m2。这部分基本断面的面积偏差既可以表现在下游临时测流断面的水深上，也可以表现在流速上。

图1 水位流量关系线1 图

图2 水位流量关系线2 图

水位是绘制水位流量关系曲线的主要数据，所以测流时的水尺观测精度对计算水位非常重要，应尽可能在水尺牌读数位于整厘米数时实测流量。

3.2 水深

枯季臧格庄水文站河道由于拦水闸、水草等因素影响，导致基本断面死水面积大，不具备测流条件。在下游涉水施测流量，同水位观测情况相同，测深杆刻度同样为1cm，在有水流时更易出现水深测量的读数精读偏差。根据某实测流量成果，若当次测深垂线水深测量值较实际值均偏大1cm 时，相对于断面原流量数据偏大3.3%。

3.3 测点定位

枯水期河道水深、流速较小，进行测速垂线测点定位时应更加注意测点位置准确，这会对流量的测验精度产生较大影响。

天然河道畅流期常见的垂线测点流速v 分布曲线示意图如图4所示。

图4中水深为相对水深，即各点的水深h 归一化成点位水深h 与总水深H 的比值。

一般情况下，畅流期时垂线水面流速最大，河底附近流速为零，总体垂线流速分布呈一定形状的曲线。影响流速曲线形状的因素有很多，致使垂线流速分布曲线的形状多种多样。人们总是努力用曲线函数近似描述垂线的流速分布，本例采用椭圆流速分布曲线。测流垂线上的流速分布用椭圆流速分布表示为：

表2 椭圆流速分布公式计算的测点流速表

图3 水位流量关系线3 图

图4 水面无阻畅流流速沿垂线分布图

式中：v0—水面流速（η=0），m/s；

P—流速分布参数，取P=0.6，相当于谢才系数C=40～60；

η—由水面向下起算的相对水深；

v—相对于水深为时的点流速，m/s。

按式1 计算的几个常用相对水深处的测点流速值见表2。

由式1 按积分法计算垂线平均流速：

水文最常采用的计算垂线平均流速的方法为两点法与一点法，其计算结果vm=0.887（两点法，相对水深0.2、0.8）；vm或=0.885（一点法，相对水深0.6）。由此可见通常采用的计算垂线平均流速的方法计算数值与积分法计算数值相近，说明流速沿竖向分布对测速点位置的选择有很大实用价值。由于测点位置的差别对于垂线平均流速的影响也是存在的，且测点流速定位误差受水深误差的综合影响。

若实际测速垂线水深为0.30m 时，相对水深0.6m时为测点定位在0.18m，若精度不高定位在0.17m 时，实际相对水深为0.57m，则测点流速差距为0.897，与相对0.6m 水深误差达14%，且测流断面水深越小误差越大。

3.4 起点距

由于临时断面没有标准的起点距刻画，在实际工作中大多为人工丈量起点距，该方法受角度误差与垂线间距离误差共同作用，若各测深垂线丈量出现0.05m 误差，则流量数据偏差达到5.6%，当断面与河流流向不垂直，夹角为85°时，误差将增大8.7%。

4 结语

对枯水期水位涨落较小的测站来说，测时水位、水深、测点位置、测深垂线水深等因素均能导致该次流量偏离值较大，影响到标准差计算，这种情况就是当河道水文站水位变化较小，但是流量却相差较大的主要原因，这种误差在水文站是经常出现并且会影响枯水期测验精度进而影响的水位流量关系曲线定线问题，应该引起重视■