辽宁地区山区型中小河流测速垂线的精简试验分析

孟庆玉

(朝阳市喀左县水利局，辽宁 喀左 122300)

0 前言

一次流量的测验的主要因子有：流速、面积，一定的水位通过单位过水面积是一定的，在面积不变的情况下流速的测量精度直接关系到整个流量的精度[1]。每条垂线流速精度非常重要。根据《河道流量测验规范》(GB 50179-2015)规定每条垂线测点数目的规定。通过分析对某一测点与断面平均流速的关系，可以对测速垂线进行精简[2]。精简分析是流量测验中一个很重要的环节，既能保证流量测验的成果精度，又能减少测流的工作量，缩短测流历时，提高测报的准确性和时效性[3]。通过精简分析，制定各种比较合理的流量测验施测方案，以适应不同水位级情况下，采用不同的测流工作方案[4]。近些年来，由于中小河流突发暴雨洪水特点，传统的水文测验方式也不能满足洪水期中小河流测报信息的及时性、准确性。亟需对传统水文测验方式进行改进和精简，从而提高中小河流测报的时效性。当前，测速垂线精简研究已在国内许多河流水文测验方案制定中得到应用[5-12]，并逐步在辽宁地区许多区域河流测验的精简方式中得到应用。本文以辽南山区型中小河流为研究实例，对该区域水文测站的测速垂线精简进行试验分析，成果对于辽宁山区型中小河流测速垂线精简方案制定具有参考价值。

1 测站概况

选取的测站为集水面积240 km2，区域代表站，属山溪性河流具有暴涨暴落特性。测验河段顺直长约1000 m，洪水主流居中、比降大、水流急、中水时水面宽约为75 m，基上约10 m处有一小河沟、汛期有水汇入，基下约1000 m处有一急弯，基上约700 m处是一拦河水坝，高水时水由坝上跑，低水时由拦河坝闸门放水，拦河坝下游断面河干，河底由中、小型河卵石组成，河床左岸为岩石，右岸为草皮及小柳树。历年水位流量关系较为稳定。

2 宽深比确定

按照《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)的规定要求进行了流速垂线精简方案下的对比观测试验，共进行对比观测试验22次，采集22份流量测定数据，对不同测验时间下河流断面的宽度(B)及平均水深(D)进行宽深比的推求。对选取水文站的宽深比进行推算，其宽深比在52.6～82.5之间，从各实测流量数据进行分析，水面宽范围在73.1 m～91.7 m，宽深比值(B/D)范围在51.2～81.3，为窄深河道。

3 测速垂线精简方案

根据《水文测验手册》常测法测速垂线数的布设要求，当水面宽与平均水深之比值(B/D)小于100时为窄深河道。研究水文站宽深比值(B/D)范围在51.2～81.3，处于窄深河道。测速垂线在10～14条符合测验要求。在测点精简分析的前提下精简垂线数目。。根据《水文测验手册》3～67常测法的垂线﹑测点综合精简的分析要求，结合本站的断面垂线流速横向分布变化趋势，采用起点距为：69 m、76.1 m、86.4 m、95 m、101.6 m、108.8 m、115 m、119.3 m、128.5 m、130 m的垂线流速，以断面平均流速为纵坐标，以每条垂线的流速为横坐标建立相关关系，各垂线相关方程见表1。

表1 各垂线相关方程建立结果

(1)选用相关关系最好的一条垂线，起点距为95 m，其线性关系为：Y=0.885x+0.027，R=0.998。

(2)选出线性关系较好的三条垂线分别为：95 m、115 m，以二条垂线的平均值为横轴，以断面平均流速作纵轴建立相关关系，相关关系良好。其线性关系为Y=0.877x+0.016，R=0.999。

(3)选出线性关系较好的三条垂线分别为：95 m、101.6 m、115 m以三垂线的平均值为横轴，以断面平均流速作纵轴建立相关关系，相关关系良好。其线性关系为Y=0.869x+0.01，R=0.997。

4 测速垂线精简误差分析

4.1 各精简方案流量误差分析

结合《水文测验手册》规定的常规水文测验要求，分别在95 m、115 m布设两条测速垂线和布设三条测速垂线得到的平均流速建立相关关系后对流量进行推算并与常规方法的流量进行对比分析，当误差符合测验的精度要求时，即可采用不同垂线的测点流速进行流量的推求计算，并作为常规测流方案进行流量的测定。将各实测流量数据按照精简方案进行流量的重新计算，对精简前后的流量相对误差进行分析，分析各精简方案下的流量测验误差是否满足误差检验的要求，从而确定最优的流速垂线精简方案。各流速垂线精简方案下的误差分析结果见表2、表3以及表4。

表2 采用一条测速垂线精简后与精简前流量成果数据分析表

表3 采用两条测速垂线精简后与精简前流量成果数据分析表

表4 采用三条测速垂线精简后与精简前流量成果数据分析表

本文选取的水文站需要满足三类水文站点的测验精度，从各测速垂线精简方案分析结果看出，采用一条测速垂线进行精简后，其测速垂线精简前后的流量测定误差高于允许误差5%的测验精度要求，因此在该水文站选取1条测速垂线进行流量精简很难满足流量测验的误差要求。从表3两条测速垂线精简方案分析结果可看出，测速垂线精简前后的流量测验误差均低于5%，达到水文测验规范要求的三类水文测站的允许误差要求，可见在选取的站点中，采用2条测速垂线精简方案可满足水文测验的精度要求。表4为采用三条测速垂线进行测验方案精简后，精简前后流量测验误差也同样低于水文测验要求的5%允许误差，同级水位下的精简测验误差均小于采用1条和2条进行测速垂线精简后的误差值，表明随着测速垂线的增加，其误差逐步减小，通过对比观测分析，采用95 m、115 m垂线2条测速垂线和95 m、101.6 m、115 m三条测速垂线精简的误差均可满足水文测验要求。

4.2 测验误差分布

按照《水文测验手册》系统误差的要求，对精简后的流量相对误差分布进行分析，统计分析不同测次下的流量精简误差，并将测验误差按照大小进行排列分析，统计分析误差分布的累积频率，结果见表5。

表5 各精简方案下的误差累积频率分布结果

从不同测速垂线精简方案下的误差累积频率分布结果可看出，在三条垂线精简方案下垂线平均流速作为断面平均流速对最小流量误差进行推求，当频率累积值达到50%的测验误差时，即表明流速垂线精简方案下出现测验的系统误差。从各流速垂线精简方案下的误差累积频率分布结果可看出，各精简方案下的系统误差低于2%，符合常规测验方式下的误差要求范围，表明采用的测速垂线精简方案可行。

5 主要结论

(1)山区型河流由于洪水过程历时较短，在未进行流速垂线精简时，需要布设8～10条测速垂线进行流量测验，常由于测流时间较长，影响洪峰测流的时效性，测验精度也常难以满足要求。经过测速垂线精简后，使得一次测流时间得到明显缩短，且能及时对洪峰流量进行测验，流量测验精度得到有效保障，使得测验效率和时效性得到有力提升。

(2)测速垂线精简方案可为流量实时在线监测提供支撑，只需要在95 m、101.6 m、115 m布设三条测速垂线，结合大断面面积和自动观测的水位值，即可对流量进行推求。