王 歡 ，夏 超 ，封一波 ，武宜壯 ，劉煒偉

（1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局連云港分局，江蘇 連云港 222004；2. 無(wú)錫市錫山區(qū)水利局，江蘇 無(wú)錫 214101）

0 引言

由于受過(guò)水?dāng)嗝娴臏y(cè)流條件和人為因素等影響，水文站低水流量測(cè)驗(yàn)精度偏低。在實(shí)際低水測(cè)速中，如果天然河道斷面條件較差（如沙石礫河床），將造成斷面流速分布紊亂，水流集中的地方流速偏大，引起實(shí)測(cè)低水流量偏大；受流速儀要求最低測(cè)流水深需淹沒(méi)漿葉，尾翼流向有所偏差等限制，致使岔流、散流、淺灘無(wú)法測(cè)得流速[1]；在涉水測(cè)驗(yàn)整個(gè)測(cè)流過(guò)程中，測(cè)流人員需手持測(cè)深桿，會(huì)阻礙水流運(yùn)動(dòng)，使得人與測(cè)深桿間流速增大，這些因素都將影響低水流量測(cè)驗(yàn)精度[2]。因此，如何提高低水測(cè)驗(yàn)的精度，值得水文工作者深入研究。

黑林水文站位于淮河流域?yàn)I海諸小河水系青口河上游，為青口河上游干流區(qū)域徑流站、小塔山水庫(kù)入庫(kù)控制站，斷面以上流域面積為 190 km2，流域平均寬度為 11.0 km，流域平均比降為 36.90‰，干流長(zhǎng)度為 17.0 km，干流平均比降為 2.90‰，暴雨洪水特性屬山丘區(qū)雨洪特性，暴漲暴落。設(shè)站目的為控制青口河干流徑流積累資料，為省界水資源管理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、工程管理等提供數(shù)據(jù)信息，為下游（主要為小塔山水庫(kù)）防汛防旱和水利工程調(diào)度等提供水文情報(bào)服務(wù)。

受流域面積及自然地理?xiàng)l件的影響，測(cè)流斷面常年有基流，流量較小，給測(cè)驗(yàn)帶來(lái)較大困難，為解決黑林水文站低水測(cè)驗(yàn)的難題，實(shí)施矩形量水堰工程，以提高低水測(cè)驗(yàn)精度。

1 矩形量水堰應(yīng)用

對(duì)黑林水文站測(cè)驗(yàn)斷面進(jìn)行綜合整治，對(duì)河道右岸側(cè)沙洲進(jìn)行回填平整，為防止沖刷，回填平整后采用漿砌塊石進(jìn)行防護(hù)。在低水時(shí)開(kāi)挖，清理河床，改變流向，使徑流集中歸槽，在主槽建設(shè)混凝土結(jié)構(gòu)矩形量水堰 1 座。

矩形量水堰在河道上的平面布置圖如圖 1 所示。

矩形量水堰高 1.5 m，采用混凝土結(jié)構(gòu)，堰軸線方向長(zhǎng) 32 m，上游設(shè) 4.0 m×0.4 m 厚長(zhǎng)混凝土鋪蓋，下游設(shè) 5.0 m×0.3 m 厚漿砌塊石護(hù)坦，堰上、下游兩側(cè)共設(shè) 0.30 mm×12.25 m 厚漿砌塊石護(hù)坡。

矩形量水堰（堰口）橫斷面圖如圖 2 所示。

矩形量水堰過(guò)流斷面處凈高為 1.0 m，寬為3.0 m，設(shè)計(jì)最大過(guò)水流量為 4.0 m3/s，底高程為33.00 m（85 基準(zhǔn)基面，下同），下游設(shè) 5.0 m ×0.3 m厚漿砌塊石護(hù)坦，底高程為 32.50 m，比過(guò)流斷面底高程低 0.5 m，讓矩形量水堰過(guò)水?dāng)嗝嫘纬勺杂傻?/p>

圖 1 矩形量水堰在河道上平面布置圖

圖 2 矩形量水堰橫斷面圖（長(zhǎng)度單位為 cm）

矩形量水堰堰口中心處的縱剖面圖（沿河流方向）如圖 3 所示。

2 率定方案分析

2.1 目的及要求

率定目的：在低水期間通過(guò)流量監(jiān)測(cè)，建立水位-流量單一關(guān)系線，驗(yàn)證矩形量水堰是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)流量實(shí)時(shí)在線。

監(jiān)測(cè)要求：根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，應(yīng)積累不少于 30 次的實(shí)測(cè)資料，均勻分布于水位-流量關(guān)系要素的全變幅內(nèi)[3]13。

2.2 斷面布設(shè)

根據(jù) SL 537—2011《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》，量水堰的水頭測(cè)量斷面應(yīng)設(shè)置在堰頂上游 3～5 倍最大水頭處[4]，測(cè)驗(yàn)斷面布設(shè)在基準(zhǔn)斷面以下50 m，量水堰上游水流平穩(wěn)處。

2.3 質(zhì)量控制

根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，定線精度中，二類(lèi)水文站隨機(jī)不確定度 ≤ 10，系統(tǒng)誤差 ≤±1%；關(guān)系線檢驗(yàn)中，定線成果需通過(guò)符號(hào)、適線、偏離數(shù)值檢驗(yàn)[3]14。

3 成果和運(yùn)用效果分析

3.1 測(cè)驗(yàn)資料收集分析

黑林水文站量水堰建設(shè)完成后，根據(jù)比測(cè)率定方案，使用流速儀法開(kāi)展量水堰比測(cè)率定工作。根據(jù)水位變幅情況，全年共完成比測(cè) 34 次，滿足 SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》中，相關(guān)曲線實(shí)測(cè)點(diǎn)不應(yīng)少于 30 點(diǎn)的要求。實(shí)測(cè)最大流量為 3.950 m3/s，最小流量為 0.069 m3/s。

黑林水文站量水堰實(shí)測(cè)水位、流量成果如表 1所示。將表 1 中實(shí)測(cè)流量 Qi與相應(yīng)水位關(guān)系點(diǎn)繪在Excel 表格中，利用 Excel 表格通過(guò)點(diǎn)群中心進(jìn)行擬合定線，水位-流量關(guān)系線如圖 4 所示。

從圖 4 可以看出，實(shí)測(cè)點(diǎn)均勻分布于擬合線的兩側(cè)，相對(duì)誤差普遍較小，點(diǎn)距合理（高、中、低），測(cè)點(diǎn)布設(shè)均勻，線型合理。

圖 3 堰口中心處的縱剖面圖（沿河流方向，長(zhǎng)度單位為 cm）

表 1 黑林水文站量水堰實(shí)測(cè)水位、流量成果表

圖 4 黑林水文站矩形量水堰水位-流量關(guān)系線

3.2 定線精度分析

根據(jù)黑林水文站量水堰水位-流量關(guān)系線，讀取34 個(gè)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)水位下的線上流量 Qci，與實(shí)測(cè)流量Qi進(jìn)行分析。根據(jù)公式計(jì)算測(cè)點(diǎn)與關(guān)系曲線的相對(duì)偏離值 pi；根據(jù)公式計(jì)算得到平均相對(duì)偏離值 p = - 0.25%，相關(guān)計(jì)算如表 2 所示。進(jìn)一步根據(jù)表 2，可計(jì)算得到 ∑ pi2和∑ (pi- p )2的值分別為 0.035 21，0.035 05。

根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，穩(wěn)定的水位-流量關(guān)系曲線，均應(yīng)計(jì)算實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差、隨機(jī)不確定度和系統(tǒng)誤差。

1）標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算。根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》[3]10，實(shí)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差 σe可按以下公式計(jì)算：

式中：n 為測(cè)點(diǎn)總數(shù)，n = 34。

2）隨機(jī)不確定度。隨機(jī)不確定度 XQ′ 為標(biāo)準(zhǔn)差的 2 倍，即 XQ′ = 2 σe= 6.6%。根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求，二類(lèi)精度水文站 XQ′ ≤ 10%，關(guān)系線成果滿足要求。

3）系統(tǒng)誤差。實(shí)測(cè)點(diǎn)與關(guān)系線無(wú)明顯系統(tǒng)偏離時(shí)，系統(tǒng)誤差可采用實(shí)測(cè)點(diǎn)對(duì)關(guān)系線的相對(duì)誤差平均值進(jìn)行計(jì)算，則關(guān)系線的系統(tǒng)誤差 p = - 0.25%。根據(jù) SL 247—2012《水文資料整編規(guī)范》要求，二類(lèi)精度水文站關(guān)系線系統(tǒng)誤差 ≤ ±1%，關(guān)系線成果滿足要求[3]12。

3.3 關(guān)系線檢驗(yàn)

3.3.1 符號(hào)檢驗(yàn)

進(jìn)行符號(hào)檢驗(yàn)時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)測(cè)點(diǎn)偏離曲線的正、負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)（偏離值為零者，作正、負(fù)號(hào)測(cè)點(diǎn)各半分配），按公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量 μ 值，小于查表確定的臨界值，則認(rèn)為合理，即接受假設(shè)[3]14。統(tǒng)計(jì)量公式為

表 2 黑林水文站量水堰實(shí)測(cè)和線上流量及偏離值相關(guān)計(jì)算表

式中：k 為正號(hào)或負(fù)號(hào)個(gè)數(shù)，根據(jù)表 2 第 4 列的數(shù)值轉(zhuǎn)換，選取負(fù)號(hào)個(gè)數(shù) k 為 19。

3.3.2 適線檢驗(yàn)

按測(cè)點(diǎn)自變量值由低至高排列順序，從第 2 點(diǎn)開(kāi)始統(tǒng)計(jì)偏離正負(fù)號(hào)變換，符號(hào)變換記 1，否則記0，當(dāng)后一個(gè)偏離值為 0，也記為 1。統(tǒng)計(jì)記“1”的次數(shù)（見(jiàn)表 2 第 5 列），按公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)量 u 值，小于查表確定的臨界值，則認(rèn)為合理，即接受假設(shè)。計(jì)算公式如下：

式中：h 為符號(hào)變換次數(shù)，表 2 中符號(hào)變換次數(shù)總計(jì)為 14 次，h ＜ 0.5 (n - 1) 時(shí)作檢驗(yàn)，否則不作檢驗(yàn)。

3.3.3 偏離數(shù)值檢驗(yàn)

進(jìn)行偏離數(shù)值檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)按公式計(jì)算 p 的標(biāo)準(zhǔn)差σp和統(tǒng)計(jì)量 t 值，如 | t | 值小于查算表中給定的臨界值，則認(rèn)為合理，即接受假設(shè)。具體公式如下：

式中：σ 為標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)《水文資料整編規(guī)范》要求[3]16，臨界值為 1.28， | t | = 0.45 ＜，合理，接受假設(shè)。

為有效保證黑林水文站低水期水位-流量關(guān)系線的合理、正確，對(duì)其進(jìn)行了偏離數(shù)值檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)及符號(hào)檢驗(yàn)。結(jié)果表明，三項(xiàng)檢驗(yàn)全部合格，實(shí)測(cè)點(diǎn)均勻分布于擬合線的兩側(cè)，誤差小，點(diǎn)距、線型合理。

3.4 運(yùn)用效果分析

黑林水文站低水期水位-流量關(guān)系線成果獲得批復(fù)使用后，低水期流量測(cè)驗(yàn)次數(shù)大大降低。統(tǒng)計(jì)量水堰使用前 20 a 流量測(cè)驗(yàn)資料，低水期年平均測(cè)流 105 次；量水堰投入使用后，低水期年平均測(cè)流8 次（校核定線成果），測(cè)次減少 90% 以上，測(cè)站人員由原來(lái)的 3 人較少到 2 人。通過(guò) 2 a 的成果校核，黑林水文站低水期水位-流量關(guān)系線穩(wěn)定，測(cè)驗(yàn)成果平均誤差為 0.49%，最大誤差為 3.20%，精度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)黑林水文站矩形量水堰的運(yùn)用實(shí)踐證明，矩形量水堰具有自由流態(tài)穩(wěn)定，量水精度高的特點(diǎn)，可有效提高水文站低水測(cè)驗(yàn)精度，降低測(cè)站測(cè)驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度。對(duì)水位-流量單一線進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)運(yùn)用，通過(guò)編程，可實(shí)現(xiàn)低水流量實(shí)時(shí)在線，推進(jìn)江蘇省水文測(cè)報(bào)方式改革。量水堰工程值得在中小河流的水文測(cè)站中推廣使用。注意當(dāng)測(cè)驗(yàn)斷面上下游工況發(fā)生改變時(shí)，需及時(shí)校核關(guān)系線成果。

不足之處，新建的矩形量水堰工程未能考慮到在大洪水過(guò)后可能造成量水堰堰前兩側(cè)擋墻處泥沙淤積的問(wèn)題，需要引起重視。在今后的測(cè)站管理工作中，應(yīng)及時(shí)清理堰前兩側(cè)擋墻處的泥沙，保證低水期水位流量關(guān)系的穩(wěn)定。