阿勒泰地区水文测站高洪期测流垂线精简组合方案探讨

阿依登别克·木拉提别克

(阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836599)

0 前 言

水文测站常用流量测定的方法为布设测流垂线，结合流速仪对不同测流垂线的断面平均流速进行推求，并结合测深垂线确定的过水面积，一般采用面积包围法进行流量的计算[1]。

按照《河流流量测验规范》GB50179-2015要求当水面宽度低于50m布设的测流垂线的条数不宜低于5条，尤其是在高洪时期为有效控制整个洪水过程，需要加密洪水期测流垂线的条数[2]。测流垂线条数较多的情况下，测流的时效性很难得到有效保证，对于突发洪水，测流数据的时效性是防洪决策的重要依据，因此当前，对于河道流量测验的精简方案在许多地区水文测站进行可行性探讨，这些研究成果表明，通过对比观测试验，建立简化测流垂线和传统测流垂线之间的相关方程，选取相关系数较好的3-5条测流垂线，在高洪应急监测中可以基本满足流量的测验精度[3-6]。近些年来，随着水文测验方式的不断改革和创新，水文测流时效性也逐步成为关注热点，而测流方式的简化可有效降低测站人员水文测验的劳动强度，提高测流时效性[7-10]。阿勒泰地区水文测站已逐步开展测流方式精简的对比试验，为此文章从测站工作实际出发，对阿勒泰地区的群库勒水文站的测流垂线精简方案进行对比分析，从而探讨方案的可行性。

1 测流垂线布设方式

不同类型水文站按照《河流流量测验规范》要求主要的布设方式为：

1)对于可行进行测流垂线精简方案的水文测站应在多条测流垂线进行施测分析的基础上，开展测流条数的精简对比，探讨精简方案下的测流最优数目。

2)为有效减少测流条数对流量测定随机及系统误差的影响，对不同测流垂线之间的间距进行合理设置，不同水位条件下各测流垂线之间的间距应严格按照不同类别水文站要求进行设定，一类、二类、三类水文测站其总的水面宽度与间距的比例分别为7%-10%、8%-11%以及9%-12%。

3)对于河流漫滩范围较大以及宽度和深度比例较高的水文站测验断面，或者河床组成复杂的水文测站中泓观测断面，应尽量增加测验断面测流垂线的数目，满足流量测验的误差要求。

4)对于水文情势变化较大且未进行测流垂线精简分析的水文站点，不能采用少线少点法进行测流时，应按照站点的实际测验情况，进行测流数条数精简方案分析，当水面宽度低于50m时测流条数一般不少于5条，其精简方案下的测流误差不高于浮标法的测流误差。

5)对于河道主要水流方向或者河床较为不稳定的测验断面，测流垂线的数目不宜太少，在流速脉动更高的区域，应尽量不布设测流垂线，在河道主要水流方向尽量多布设测流垂线的数目。

2 误差分析方法

采用对比观测方式对测流垂线的误差进行分析，首先对水文站所在的河段地形、横断面、横向流速分布以及水位流量进行整理和分析，制定研究站点的测流垂线精简比测分析的试验方案，试验方案应针对不同水位级下进行测流垂线的均匀分布，在较为稳定的水流条件下开展测流垂线的精简分析，在进行对比观测试验时水位变化幅度需要结合站点的类别进行设定，一类水文站其水位变幅应低于0.1m，二类以及三类水文站其水位变幅应低于0.3m，不同水位级别测流垂线精简方案下测流的次数不应低于20次，洪水期间测流垂线精简对比试验分析难度较大，因此应在水流较为稳定的时期进行对比观测试验分析，水文测站测验断面水面宽度下的误差分析分类如表1所示。

表1 不同水面宽度下的误差分类标准

3 测流垂线精简方案对比结果

3.1 试验方法

以新疆阿勒泰地区的群库勒水文站为实例，探讨其测流垂线精简方案的可行性，精简垂线方案下的的水位面积按照《河流流量测验规范》GB50179-2015的要求进行试验分析，试验的方法为对比精简和传统测流方式进行同步观测，对两种方式下的流量进行分别测定，将测流垂线精简方案下的群库勒水文站流量测定值和传统测流垂线方式下的水位-流量关系曲线进行对比分析。

3.2 测深垂线布设误差检验

分别对传统测深垂线方案和精简测深垂线方案下的水位-流量关系按照《河流流量测验规范》GB50179-2015的要求进行误差检验，检验结果如表2和表3所示。

表2 传统测深垂线方式下的群库勒水文站水位-流量关系误差检验结果

表3 精简测深垂线方式下的群库勒水文站水位-流量关系误差检验结果

从传统测流垂线方案下和精简测流垂线方案下的群库勒水文站测定的相同水位量级下的水位-流量关系曲线分析结果可看出，两种方法测定的各测次标准误差、系统误差以及随机不确定度均为《河流流量测验规范》GB50179-2015的流量测验误差允许范围内，因此在群库勒水文站进行高洪应急监测时可采用测流垂线精简方案进行测流条数的精简，一般可精简到4-5条测深垂线，以提高测流的时效性。

3.3 测速垂线的布设误差检验

在测深精简方案探讨的基础上，分别对传统测速垂线布设和精简测速垂线布设方案下的水位-流量关系误差进行检验，检验结果如表4和表5所示。

表4 传统测速垂线方式下的群库勒水文站水位-流量关系误差检验结果

表5 精简测速垂线方式下的群库勒水文站水位-流量关系误差检验结果

从传统测速垂线方案下和精简测速垂线方案下的群库勒水文站测定的相同水位量级下的水位-流量关系曲线分析结果可看出，两种方法测定的各测次标准误差、系统误差以及随机不确定度均为《河流流量测验规范》GB50179-2015的流量测验误差允许范围内，因此在群库勒水文站进行高洪应急监测时可采用测速垂线精简方案进行测速垂线条数的精简，一般可精简4条测速垂线，以提高测速的时效性。

4 精简方案下的流量误差分析

对两种方案下的流量测定误差进行不同累积误差频率的分析，分析结果如表6所示。

表6 两种测验方案下的群库勒水文站流量测定累积误差分析结果

在误差累积频率分别为65%和75%下传统测深垂线和精简测深垂下方案下群库勒水文站的误差值均满足《河流流量测验规范》GB50179-2015的误差允许范围要求，传统测深垂线布设方案下的误差要好于精简测深垂线的误差分布累积值。在群库勒水文站两种测速方案下其累积频率误差值也可满足流量测验的规范要求，可见在群库勒水文站进行测深和测速精简组合方案下其可以满足站点的流量测定精度的要求。

5 对比分析结论

1)采用测深和测速垂线精简组合方式下，群库勒水文站对比观测的水位-流量关系的标准误差、系统误差以及不确定度均在误差允许范围内，在群库勒水文站进行应急洪水监测时，可结合实际洪水情况进行精简方案的流量施测，提高流量测定的时效性。

2)采用精简测验方案下可以降低测站人员工作强度，提高洪水监测的时效性，但在洪水监测期若来水变化较大，断面冲淤变化幅度较高时还需要对测流垂线进行加密观测，等同步对比观测数据系列长度较多时，再进行测流垂线的精简方案分析，制定群库勒水文站最佳的精简测洪方案。