吳瑞欽

(廣東省水文局湛江水文分局，廣東 湛江 524037)

缸瓦窯水文站為廣東省粵西地區(qū)九洲江流域控制站，洪水期防洪任務(wù)非常重要。在高洪情況下的水文測驗中，該站的常規(guī)測驗方法——纜道常規(guī)流速儀法、走航式ADCP法、固定式ADCP法由于受河中漂浮多的影響，從安全等因素考慮，要完成測驗任務(wù)比較困難，因此，需尋找一種新的水文測驗方法，解決缸瓦窯水文站高洪情況下的流量測驗問題，從而在高洪時期流量測驗的過程中，既保證安全，又確保資料精度，提高工作效率。

1 概況

1.1 水文站基本情況

缸瓦窯水文站位于九洲江下游(見圖1所示)，國家重要水文站，為國家一類精度站，建于1955年4月，位于廉江市橫山鎮(zhèn)325國道排里大橋34 m處，主要測驗任務(wù)有：水位、流量、降水量、蒸發(fā)量、水質(zhì)監(jiān)測等。

缸瓦窯水文站附近順直河段長約為1 km，屬于河槽控制，該站為九洲江流域控制站，集雨面積為3 086 km2，干流長為153 km，干流坡降為0.37‰。集雨區(qū)域多年平均降雨量為1 476.0 mm，但年內(nèi)分配不均，4—9月約占全年降雨量的85%左右。流域暴雨洪水多發(fā)于4—9月，其中4—6月以鋒面雨為主，7—9月主要由臺風(fēng)雨造成。缸瓦窯水文站實測水文數(shù)據(jù)特征值、特征水位分別見表1和表2。

圖1 缸瓦窯水文站位置示意

表1 缸瓦窯水文站實測水文數(shù)據(jù)特征值

流量/(m3/s)水位/m最大最小最高最低3 3100.458.991.461994-06-101977-12-091994-06-102005-12-18

表2 缸瓦窯水文站特征水位(凍結(jié)基面，下同) m

1.2 流量測驗方法

1.2.1流量測驗方案

根據(jù)廣東省水文局《關(guān)于缸瓦窯水文站在線測流系統(tǒng)擴大使用范圍的批復(fù)》(粵水文技〔2018〕73號)的文件精神，本站流量測驗方案，采用在線測流系統(tǒng)(H-ADCP)，進(jìn)行實時流量監(jiān)測法和纜道常規(guī)流速儀法相結(jié)合的方式進(jìn)行，當(dāng)在線測流系統(tǒng)(H-ADCP)出現(xiàn)故障和超出所批復(fù)的使用范圍時，應(yīng)立即纜道常規(guī)流速儀法測流[1]，纜道常規(guī)流速儀法作為標(biāo)準(zhǔn)方法對線測流系統(tǒng)(H-ADCP)進(jìn)行校測。

流速儀測流斷面位于基本水尺斷面上游15 m處。常規(guī)流速儀測驗方案為施測15～17條垂線一點法，實測水深，測速歷時100 s[2-3]。

1.2.2流量測驗斷面情況

通過點繪2010年3月11日、2014年4月22日和2019年2月27日所測的流量測驗斷面成果[4]對照圖(見圖2)，可看到從2010年起由于當(dāng)?shù)睾拥莱樯车挠绊?，河床略有下徹，但變化不算大，總體判斷流量測流斷面比較穩(wěn)定。

圖2 缸瓦窯水文站歷年流量測流斷面對照示意

2 垂線代表線法原理[2-5]

選擇X條代表垂線，在相對水深0.6處測速，測點測速歷時 100 s，特殊情況不少于60 s。其斷面流速、流量計算公式：

V斷=K×V代+C

(1)

Q=V斷×A

(2)

式中V斷為斷面平均流速，m/s；V代為代表垂線的平均流速(1～3條，若2～3條則取其算術(shù)平均)，m/s；A為斷面面積，m2；水道斷面可借用臨近測次斷面資料。

K、C為換算系數(shù)。采用歷史資料分析成果分析確定。

3 建立相關(guān)關(guān)系

3.1 采用資料

由于缸瓦窯水文站自2010年1月起采用在線測流系統(tǒng)(H-ADCP)推流，從2015年起采用走航式ADCP對在線測流系統(tǒng)進(jìn)行校測，所以近年來纜道流速儀法測流次數(shù)比較少。本次收集纜道常規(guī)流速儀法測量洪水期流量測驗資料33份，時間自2010年5月11日—2014年9月17日，測驗水位為3.26～7.53 m之間，實測流量為480～2 730 m3/s之間， 斷面平均流速為0.29～1.58 m/s之間。

通過試錯法分析計算，本次采用的代表垂線是起點距為180 m的垂線，將起點距為180 m垂線的相對0.6水深處的流速，作為代表線平均流速與對應(yīng)的斷面平均流速建立相關(guān)關(guān)系，分析相關(guān)關(guān)系的精度。采用資料見表3。

表3 采用的流量資料數(shù)據(jù)

3.2 建立相關(guān)關(guān)系

根據(jù)所選定的33份流量資料代表線平均流速(起點距180 m)與斷面平均流速繪制相關(guān)示意(見圖3)，采用最小二乘法對V代與V斷關(guān)系進(jìn)行分析建立線性回歸方程式[6-8]，得回歸方程式：V斷=0.895 3×V代+0.041 4；R2=0.993 9。

4 關(guān)系線精度分析

根據(jù)規(guī)范要求，對上述回歸方程進(jìn)行關(guān)系曲線適線檢驗[9]。結(jié)果及過程見表4所示。

圖3 代表線平均流速與斷面平均流速關(guān)系相關(guān)示意

表4 V代 ～V斷關(guān)系曲線適線檢驗結(jié)果

水位流量關(guān)系測點標(biāo)準(zhǔn)差Se=2.7%，隨機誤差為5.4%≤ 8 %，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求；系統(tǒng)誤差為0.06%≤± 1 %，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的精度要求。

檢驗計算：① 符號檢驗：n=33，K=16(K為正號個數(shù))，u=0.00<1.15，認(rèn)為合理,符號檢驗通過； ② 適線檢驗：n=33，不變換符號“0”次數(shù)為14，變換符號“1”次數(shù)為18, 變換符號次數(shù)大于不變換符號次數(shù)，免作適線檢驗； ③ 偏離數(shù)值檢驗：n=33，平均相對偏離值ΔP=0.06%，P的標(biāo)準(zhǔn)差S=2.70，ΔP的標(biāo)準(zhǔn)差Sp=0.47，統(tǒng)計量t=0.13，│t│=0.13<1.30，認(rèn)為合理,偏離數(shù)值檢驗通過。

結(jié)果：上述3種方法對水位流量關(guān)系曲線的檢驗，均達(dá)到規(guī)范要求，認(rèn)為定線正確。

5 流速精度對比分析

參與分析測次流量資料的流量進(jìn)行對比分析(見表5)。

表5 代表線計算流量與實測流量對照

表5中，通過對采用代表線法計算得到的斷面流量與實測流量進(jìn)行對照，相對誤差最大為-7.23%，相對誤差≤±10%的比例達(dá)到100%，相對誤差≤±5%的比例達(dá)到93.9%，相對誤差≤±3%的比例達(dá)到75.8%，說明代表線平均流速和斷面平均流速建立的相關(guān)關(guān)系可靠，精度高，可以應(yīng)用在高洪情況下的流量應(yīng)急測驗工作中。

6 結(jié)語

通過對缸瓦窯水文站洪水期共33份實測流量資料(斷面平均流速0.56m/s)進(jìn)行垂線代表線法(垂線起點距180 m)分析，得到流速相關(guān)關(guān)系式：V平均=0.895 3×V代表+0.041 4，R2=0.993 9，相關(guān)關(guān)系良好，且該關(guān)系曲線通過了曲線適線檢驗，所推算出的相關(guān)系數(shù)可作為經(jīng)驗系數(shù)，在高洪時期流量測驗的情況下，將起點距180 m垂線為代表線，作為缸瓦窯水文站高洪時期流量測驗方案使用。同時可以將該方法推廣應(yīng)用到其他類似的測站中去。