库鲁克栏杆水文站水面流速系数率定方法及影响因素分析

李志峰

(新疆喀什水文勘测局，新疆 喀什 844000)

库鲁克栏杆水文站位于叶尔羌河的上游，克勒青河、塔什库尔干河、提孜那甫河是新疆第三大河叶尔羌河的主要支流[1]。叶尔羌河流域面积为9.89万 km2，河流总长度为1 165 km。库鲁克栏杆水文站在1992年向下游进行断面迁移，迁移距离为1.5 km[2]。按照《河流流量测验规范》(GB50179-2015)要求，断面进行迁移后需要对水面流速系数进行率定，从而满足水文测验的精度要求[3]。叶尔羌河上游河道坡度较大，洪水主要由冰川溃坝和冰川洪水组成，当冰川融雪洪水产生时，流域洪水上涨速率较快[4]。当超过测流能力尤其是河道漂浮物较多的情况下，需要对流速系数进行率定，满足高洪测验的精度要求[5]。对于流速系数率定主要为经验方法和公式法两种[6]。目前，通过研究对比观测试验即经验法是较为行之有效的流速系数率定方法。因此本文通过对比观测试验，对库鲁克栏杆水文站流速系数进行率定，用于中高水时该站点中泓浮标测验。

1 库鲁克栏杆水文站概况

库鲁克栏杆为叶尔羌河上游干流主要控制水文站，为国家基本水文站，其地理位置为东经76°13′以及北纬37°14′，库鲁克栏杆设站年份为1959年6月，和下游卡群站之间的距离为112 km，水文站以上集水面积为32 280 km2。库鲁克栏杆水文站由于测验进行了站点迁移，新的水文测验断面距离上游原有断面1.5 km。水文站常规测验项目为流量、泥沙、降水量、冰情以及水温观测。库鲁克栏杆水文站年最大降水量出现在1998年，降水量为178 mm,降水量最小值出现在1961年，为48.3 mm，降水时空分布十分不均匀，夏季降水占比全年降水量约为37.5%～63.1%之间。径流年内分布差异度较大，水量主要集中在6-8月份，占全年的比重高达80%以上，叶尔羌河属于典型冰川径流补给性河流。库鲁克栏杆水文站测验河段。

2 试验方法及要求

2.1 试验要求

(1)进行流速系数的率定主要通过比测试验进行，由于中高水时洪水流速较大且有较大的波浪，水流携带的漂浮物也较多，对测流影响较大，因此在进行比测试验时需要进行多种水流条件的分析。在进行比测试验时流速仪和秒表要进行校正和检验后使用，要满足测流精度的要求。

(2)浮标的中断面需要与流速仪测流断面重合，水文站常测位置和测速垂线的位置要保持一致，在进行高水对比观测时，可以适当增加测速垂线以满足精度要求。

(3)基本水尺水位要在测流起始进行分别读取，若水位的峰值和谷值跨过测流时间时，则需要各观测水位一次在水位峰顶和峰谷时，从而水位测定的准确性可得到有效保证。库鲁克栏杆水文站水面较宽，测验断面水面宽度约为50 m，水深均值相对较小，河流水流较为集中，中泓为其主流，因此在对比观测试验时，应以中泓作为其主要水流进行试验，从而确保试验数据的代表性。

(4)需要对风向、风速、水流流向、漂浮物以及测验断面上下游水流情况进行记录，以分析不同试验条件对流速系数率定精度的影响。一般为避免风速和风向对对比观测试验的影响，尽量在晴好天气进行试验，降低风速和风向对流速率定的影响。选择中弘主流作为水流流向，保证其试验数据的代表性。

2.2 试验方法

(1)由于库鲁克栏杆在中高水时候表面流速较大，且出现大洪水时候上游水流携带的漂浮物较多，此外由于库鲁克栏杆水文站测验断面水面宽度较大，水流较急，对比测试验投放浮标的影响程度较大，试验浮标采用木制十字架进行制作，并在浮标上悬挂气球以免浮标不能被正常观测，在试验时采用人工投掷方式进行浮标的投放，每个浮标投放的间距保持在10 m范围内，每次对比观测试验选用浮标数为3～5个，为降低浮标水深的影响误差，在浮标制作时尽量保证每个浮标具有均衡的重量，从而降低浮标重量影响误差。

(2)安排1个人专门负责浮标的投放，上下游断面各有1人负责浮标达到后的时间记录，中断面安排1人对水位进行观测，另外安排一个人负责记录浮标通过中间断面的起点距和浮标经历时间。

(3)每此浮标试验时间可以精确到0.1 s，每个浮标投放的间距可以精确到0.1 m，对水深和起点距一般进行实测，若水深实测较为困难，断面面积可采用相邻测次水深进行借用。

2.3 流速系数率定计算方法

选择运行时间最长和最短2～3个浮标，各浮标之间的时间差低于10%，作为最大水面流速的计算依据。首先对投放浮标进行流速计算，在最大水面流速(平均虚流速)进行计算。断面流量采用流速仪测定的垂线流速和缆道计算的断面水深，将断面计算流量和断面面积相除可以得到测验断面的平均流速，流速率定系数的计算方程为：

K=V平均/V浮标

(1)

方程中K表示为流速率定系数；V平均为采用流速仪进行测验的断面平均流速(m/s)；V浮标为采用浮标最大水面流速(m/s)。

3 库鲁克栏杆站比测试验

3.1 比测数据情况

从 6月中旬到8月下旬进行对比观测试验，各观测试验15组数据， 按照流量高于800 m3/s作为高水流量，流量在100～800 m3/s作为中水流量，流量低于100 m3/s作为低水流量，基于以上流量的划分，在相对应的高、中水进行比测。通过比测分析，见表1，库鲁克栏杆水文站最大浮标水面流速为7.2 m/s，水面流速最小值为0.6 m/s，采用流速仪进行测验的断面平均流速最大值为4.8 m/s，测验的断面平均流速最小值为0.4 m/s。并对不同比测测次的断面平均流速和浮标最大水面流速进行相关性分析，见图1。

表1 库鲁克栏杆比测试验流速系数率定结果

图1 库鲁克栏杆水文站比测流速相关关系

从比测流速系数分析结果可看出，各试验测次数据均在误差范围内，通过对比可看出，各比测测次下流速率定系数都由一个较为接近的系数值，表明不同比测试验数据中流速率定系数具有一定的相关性和规律性，可用于库鲁克栏杆水文站中泓流速系数率定值。通过取各组流速系数率定均值，库鲁克栏杆水文站中泓流速系数率定值为0.62。从流速相关关系可看出，比测流速之间的相关系数为0.989 6，表明库鲁克栏杆水文站断面平均流速和浮标水面流速具有较好的相关性，且整个相关线没有出现明显的偏差。通过对相关线斜率可看出，相关方程斜率为0.62。

3.2 误差检验分析结果

按照河流流量测验规范(GB50179-2015)要求，对库鲁克栏杆水文站进行流速率定系数相关曲线进行误差检验分析，从而分析流速率定系数的相关曲线是否可满足水文站测验精度要求，误差检验结果见表2。

表2 库鲁克栏杆水文站流速率定曲线误差检验结果

从误差和检验结果可看出，库鲁克栏杆水文站15组比测试验数据中的平均相对偏差为2.31%。符号检验u值经统计分析为0.54，满足符号检验u值低于1.15的误差检验要求。适线检验u值经统计分析为0.23，满足适线检验u值低于1.28的误差检验要求。从偏离值检验结果看出，库鲁克栏杆水文站15组比测试验数据偏离值检验u值为0.05，可满足偏离值检验低于1.33的的误差检验要求。综上按照河流流量测验规范(GB50179-2015)三种误差检验要求，表明库鲁克栏杆水文站流速率定系数取值为0.62具有合理性，可满足测验精度要求。

4 流速系数率定比测影响因素

(1)统一浮标制作的型式和材料。应按照统一规范要求对浮标进行材料的选用，可选用木材、塑料泡沫作为浮标制作的主要材料，并按照区域实际区域，以方便投放、形状较为稳定进行浮标型式的制作，按照不同水力条件和不同区域进行流速率定系数的比测试验。通过大量的比测试验数据，综合不同影响因素，选择1～2种浮标与水流流速较为相似作为最终的选用浮标标志物。通过对新疆其他区域测验实际工作中可发现这种做法下可有效降低不同浮标之间的性能差异，从而降低不同性能浮标下的测验影响误差，从而提高比测试验的精度和数据的可靠性。

(2)更加注重浮标测验下的实际应用成果。确保浮标测流精度的关键因素是对流速系数率定的准确程度，无论是采用中泓浮标系数还是采用全断面浮标系数进行测验，均需要从水文站进行比测试验分析中进行总结。对于断面上下游河床发生明显变化或者新建水文站点，都应该制定中泓法和全断面法的浮标系数比测试验计划，一旦洪水条件满足试验需求，就可以开展比测试验分析，通过大量的比测试验数据分析后，按照河流流量测验规范(GB50179-2015)要求确定适合于该站点的浮标系数数据系列，从而保障该站点浮标测流的精度。

(3)浮标需要精准投放。浮标投放方式对其流速系数率定影响较大。因此在有条件的水文站点尽可能采用水文缆道进行不同起点距浮标的准确投放，从而提高浮标比测试验系数率定的精度。从外如果比测站点上游由栈桥，可以在桥上进行人工浮标的投放，但由于桥墩紊流和回流影响，其浮标投放的效果要低于水文缆道的投放效果。

5 结语

(1)经过比测试验分析，库鲁克栏杆水文站流速率定系数取值为0.62具有合理性，可满足测验精度要求；

(2)库鲁克栏杆水文站断面平均流速和浮标水面流速具有较好的相关性，当库鲁克栏杆水文站流量高于800m3/s，中泓浮标系数建议采用值为0.62，若发生大洪水，可进行20%曲线外延对流量值进行查用。

(3)建议中高水时可采用本文率定的中泓浮标系数进行测验，而低水时由于流速垂线梯度变化较小，则浮标系数变化较大，不建议使用。