半江垂线代表线法流量测验分析

2010-02-24马文喜吴高庄王化鑫

东北水利水电 2010年12期

柳恒，马文喜，吴高庄,王化鑫

（松辽委水文局黑龙江上游局，黑龙江黑河 164300）

1 测站及流量测验情况

上马厂水文站位于泽雅河口上游9.8 km处，是黑龙江干流泽雅河口上游控制站。卡伦山站水文站位于泽雅河口下游18.9 km处，是黑龙江干流泽雅河口下游控制站。两站均为国家基本水文站。

黑龙江属于季节性河流，封冻期近半年。每年10月上旬上游出现初冰，中游10月下旬始见初冰。翌年4月中下旬先中游后上游解冻。封冻期上游160 d以上，中游140～160 d。封冻期在测流断面上从左岸到右岸布置若干固定位置测孔施测流量，封冻期每个测站流量测验次数在15次左右。流量测验均按照GB50179-93《河流流量测验规范》的相关要求执行。

2 封冻期流量测验方案

为了解决封冻期不能过江开展流量测验工作，提出了通过在中方一侧选取垂线代表线，利用某种关系解决全断面流量测验问题，从而有效延长实测资料系列。通过分析历史资料，选取中国侧半江具有代表性的测速（测深）垂线计算出半江流量，建立半江流量和全断面流量相关关系，这种方法即为半江垂线代表线法流量测验。这种测验方案的关键是找出能够建立半江流量和全断面流量相关关系的具有代表性的测速（测深）垂线。一旦确定出代表性垂线，流量测验就变为施测中国侧有代表性的垂线，然后根据关系式推流定线。

3 封冻期流量测验方案分析

3．1 资料选取

资料选用2005—2009年共5年上马厂、卡伦山两站的实测流量资料，各74次。上马厂站最大流量为255 m3/s,最小流量34.1 m3/s，流量变幅220.9 m3/s；卡伦山站最大流量为1 060 m3/s,最小流量660 m3/s，流量变幅400 m3/s。

3．2 资料分析

利用每个测次的部分流量和全断面流量建立关系，试图找出其中的相关关系，然后对这种关系进行各项指标检验和误差分析，确定是否满足流量测验规范的各项要求。

如果把断面出流量作为一个模型来处理的话，涉及到的模型因子主要有：断面稳定情况、水深、水浸冰厚、流速。下面对这几方面情况进行分析。

1）历年断面河床的稳定情况

分别选取两站建站以来5年的大断面资料绘制断面图，两站的断面河床自建站以来很稳定，冲淤变化很小。卡伦山站起点距在250～500 m之间略有冲淤变化，总体趋于平稳。

2）断面垂线流速、水深、水浸冰厚分布情况

选取有代表性的测次，建立断面垂线流速、水深、水浸冰厚分布情况图，见图1。

图1 断面各垂线平均流速、水深、水浸冰厚分布图

从图1看出，两站封冻期水浸冰厚大小沿整个测流断面横向变化起伏不大，两岸边的水浸冰厚较厚，河流中泓部分水浸冰厚大小相差不大；流速小时水浸冰厚稍大，流速大时水浸冰厚小。流速的变化表现在水深大流速也大，中泓的地方流速大，同时水浸冰厚大流速就小。这些变化规律完全符合水文要素之间变化规律。需要说明的是，分析发现两站断面垂线流速、水深、水浸冰厚分布情况图的这种趋势体现了整个封冻期的变化情况，尤其是稳定的封冻期。由此可见封冻期断面垂线流速、水深、水浸冰厚大小变化相互影响，符合水文规律。同时也体现出封冻期来水少，各站水位变化小，各水文因素系统变化一致，没有大幅波动。

3）断面平均流速与垂线平均流速的分布情况

根据选取测次的全断面平均流速与各垂线的流速建立关系图，如图2所示。

图2 流速分布图

从图2看出上马厂站所有18条测速垂线中大于断面平均流速的部分有2股，分别在4—9号孔之间以及15—17号孔之间；卡伦山站所有22条测速垂线中大于断面平均流速的部分集中在中泓部分的5—10号孔之间。这种分布情况在整个封冻期表现很稳定，在所选全部流量测次资料中两站垂线平均流速大于断面平均流速的测速垂线数占全部测速垂线的百分数均趋近50%。

3．3 垂线代表线的选取

通过上面的分析，上马厂站半江的1—6号孔的测速垂线流速大于断面平均流速的垂线数百分比很稳定，约为15%，而且大于断面平均流速的半江垂线数大多为2条且固定为5号、6号孔，有3条的时候增加一个4号孔。上马厂站选取1—6号孔作为垂线代表线。

卡伦山站半江的1—10号孔的测速垂线流速大于断面平均流速的垂线数百分比平均约为30%，主要分布在中泓部分的5—10号孔之间；有时在水位高、冰厚薄的时候会出现右岸的1号和2号孔垂线流速也大于断面平均流速的情况。卡伦山站选取1—10号孔作为垂线代表线。

3．4 半江垂线代表线流量与全断面流量关系

选取两站2005－2009年全部测次资料，取每个测次垂线代表线所得半江流量与该测次全断面流量建立相关关系，根据实测流量资料得出两站半江流量与全断面流量相关关系式分别为：y=3.322 x+17.19和y=1.740 x+22.35，式中y代表全断面流量、x代表半江流量。

3．5 流量关系线检验

以上面拟定的流量相关线作为标准关系线，做定线精度检验。从检验结果可以看出，上马厂、卡伦山站所有误差检验指标均符合一类精度水文站的流量关系定线精度标准。两站检验指标结果和检验标准见表1。

表1 两站流量关系线定线精度检验成果表

4 封冻期流量测验方案论证

选取近5年（2005—2009年）两站封冻期所有实测流量资料。根据各站建立的流量相关关系式，取用实测的半江垂线代表线流量推求全断面流量。根据求得全断面流量、计算封冻期流量改正系数K值进行定线推流。由半江垂线代表线流量建立的相关关系式所推求的流量数据进行各站各年水文资料整编，分析使用这种半江垂线代表线流量测验方法和常规的流量测验方法所得流量数据进行各站水文资料整编的精度情况。

下面是两站2005—2009年使用半江垂线代表线法计算的全断面流量和常规的流量测验方法所得流量进行资料整编后所得各年平均流量和径流量的比较情况。从表2、表3中可以看出通过两种方法所得两站流量和径流量基本差别不大，仅2005年的年平均流量最大相对误差约为2%，年径流量最大相对误差约为2%。均满足资料整编规范精度要求。

表2 上马厂站流量、径流量比较

5 结语

黑龙江属于国际性大河流，中俄界河，水量丰沛，收集它的水文资料对于我国未来水利事业发展愈显重要。尤其是目前黑龙江干流水文资料系列仅为22年。利用半江垂线代表线分析建立的流量关系能满足水文资料的定线、推流要求，在特殊的情况下能保证水文测验工作继续开展，保证水文资料的连续性。实施半江垂线代表线法流量测验属于流量测验的一种精简技术，在满足精度要求的同时可以节省一定量的人力、财力投入。