水文站流量测次简化分析研究

李向明

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

1 测站概况

1.1 测站基本情况

龙湾水文站位于凤城市大堡镇纪家村，是鸭绿江二级支流八道河下游的控制站，集水面积为854km2，距八道河河口12km。该站常规监测项目有水位、流量、降水、冰情、水质、地下水6类，并兼顾水文测量及水文调查补充项目。该站为区域代表站，主要功能为积累长期水文资料系列，探索研究区域水文特性规律，流域水资源管理及分析评价，水功能区水质分析检测，水文情报预报并负责向国际、国家各级防汛抗旱指挥机构报送水情信息。目前水位采用气泡水位计自动观测，辅以直立式水尺人工校测。该站降水采用称重式雨雪量计自动观测，虹吸雨量计及人工雨量器作为备用观测手段。该站流量测验精度为三类，主要测验方式为低枯水流速仪涉水施测，中高水流速仪水文缆道施测，特殊情况下采用缆道雷达波流速仪、中泓浮标或比降面积法施测。其它监测项目都采用人工监测。

1.2 测站基本水文特性

龙湾水文站历史最高洪水位99.93m，历史最大洪峰流量4640m3/s，均发生于1960年8月4日。洪水主要来源于八道河中上游，洪水涨落急剧，洪峰多为单峰型。该站水位在93.00m以下时处于枯水期，在93.00～93.30m时处于低水期，在93.30～94.40m时处于中水期，在94.40m以上时处于高水期。低枯水期水流集中在河道左岸，水流较急，河窄且水浅，河宽不足40m，水深不足1m。中高水期水流湍急，河宽可增至200m，涨洪阶段水面漂浮物较多。测验河段顺直长约800m，河床较为平整，底质以砂卵石为主。断面左岸最低，向右岸平缓升高，根据2011—2021年实测大断面资料统计分析，左岸河床有逐年下切的趋势，右岸河床基本保持不变。中高水历年最大断面变化率30.9%，断面受洪水冲刷影响较为明显。但历年水位流量关系仍为单一曲线。水文站上下游均无大型水利工程，中高水不受水利工程蓄放水影响，河道水流处于天然状态。

2 技术路线

根据SL 195—2015《水文巡测规范》和GB 50179—2015《河流流量测验规范》规定，结合各水文站的设站目的和功能需求等实际情况，从以下4个方面进行可行性分析：①调查了解水文站所在的流域概况，水文站网及水利工程分布，交通及通讯条件，经济社会发展等基本情况；②利用已收集的实测资料，对测站进行断面稳定性分析，掌握测站测验断面受冲淤影响在空间和时间上的变化程度以及测站控制条件转移变化规律；③根据测站5年以上连续实测资料，分析实测关系点据或单值化关系点据对当年和历年综合关系线的定线误差以及间测偏离误差，确定水位流量关系线处理方法；④按照一定原则对已收集的实测流量资料进行测次精简，计算精简测次后各时段总量的误差，论证可能到达的测验精度与允许误差的关系，合理确定测验频次[1-2]。

3 水位流量关系与测次布置分析

3.1 资料收集处理

按照SL 195—2015相关要求，对龙湾水文站5年以上连续实测流量资料进行分析。针对畅流期，对选取的资料系列的符合性从以下4个方面进行判别处理：①所选系列丰平枯水年各占比重；②所选系列实测流量相应水位变幅占历年水位变幅比重；③各分级水位中实测点据个数；④各年推流方法。选取的资料系列情况见表1。

表1 龙湾水文站资料系列情况统计表

从表1来看，龙湾水文站8年连续实测资料系列按GB/T 50095—2014《水文基本术语和符号标准》丰、平、枯水年划分标准，2年为丰水年，2年为平水年，4年为枯水年，丰、平、枯水年资料齐全[3]。所选资料中实测流量点据高水83个，中水183个，低枯水223个，满足样本数量要求。实测流量相应水位变幅5.05m，占历年水位变幅100%，所选资料系列符合分析要求。

3.2 间测误差分析

SL195—2015相关规定：通过5年以上资料分析证明，每年的水位流量关系线与历年综合关系线最大偏离不超过允许误差，流量可实行间测。将龙湾水文站2014—2021年所有畅流期实测流量点据合绘在1张图上，通过点群中心定出1条综合的水位流量关系曲线如图1所示。

图1 龙湾水文站历年综合关系线图

通过各年关系线与综合线比较分析，龙湾水文站各年关系线与综合线最大偏离相对误差低水为105.5%，中水93.30～93.80m之间最大偏离误差为25.3%，中水93.80～94.40m最大偏离误差为9.5%，高水最大偏离误差为6.9%。综上分析，龙湾水文站水位在93.80m以上时，每年关系线与综合线最大偏离误差未超过SL 195—2015第4.5.8条规定的3类精度站允许误差。按规范第4.2.6条c)款要求，水位在93.80～97.70m之间，流量可实行间测。分析结果见表2。

表2 龙湾水文站各年水位流量关系线与综合关系线相对误差

3.3 流量测次精简分析

经过分析，水位在93.80m以上时，流量是可以间测的。本次测次精简分析主要检验间测期间的施测年份能否用较少的测次定线，推算的各时段径流量与综合线的相对误差在允许范围之内。

以2014—2021年畅流期实测流量测次系列作为分析数据，8年中实测流量点据489个，按水位从低到高的顺序排列后进行统计，其中低水(水位在93.80m以下)329个，测次为1～329，中水(水位93.80～94.40m)77个，测次为330～406，高水(水位94.40m以上)83个，测次为407～489。先以全年施测10次为最低限制，利用随机数生成器从低水组中随机抽取4个点据，从中水组中随机抽取3个点据，从高水组中随机抽取3个点据，定成一条水位流量关系曲线。如此反复随机抽取30次，生成30组随机流量测次数据系列[4-5]。此30组流量测次系列，可定成30条水位流量关系曲线，对其进行定线误差分析(结果见表3)，然后用这些水位流量关系曲线推算各种时段量与由精简前历年综合水位流量关系曲线推算的各种相应时段量相比，计算其相对误差(计算结果见表4)，其最大相对误差均未超过表4允许相对误差，则可进行精简。否则应增加分析测次，继续分析，直到满足允许误差为止。[6]

表3 30条水位流量关系线定线误差

表4 综合线与精简线推算的时段量相对误差

4 结语

综上分析论证，龙湾水文站历年水位流量关系稳定呈单一线，各年水位流量关系线及历年综合线定线均满足规范允许误差，水位在94.40m以上时每年关系线与历年综合线最大偏离值都在规范允许误差内，按照SL 195—2015第4.2.6条a)款及c)款规定，流量可实行间测。

流量间测后，每年应遵行以下间测原则：

(1)流量可实行停5年测1年，按逢0逢5年测1年的方式进行。

(2)间测期间的施测年份，每年可测7～15次。

(3)当测站控制条件发生变化影响水位流量关系或水位超过97.70m时，应及时恢复流量测验。