辽阳水文站桥测断面水面流速系数分析

□易继峰 □王儒涛（辽宁省水文水资源勘测局辽阳分局）

1.问题的提出

辽阳水文站位于辽宁省辽阳市太子河公园内，地理位置东经123°12＇，北纬40°16＇。该站集水面积8082km2，流量测验精度为一类，是太子河干流上的重要控制站，担负着向国家、松辽委及省、市防汛抗旱指挥机构报送信息任务。该站测验河段顺直，河床为卵石粗沙组成，主流偏左。1972年在其上游建成葠窝水库，受水库调蓄影响，该站水位涨落率大。基本断面上游2500m处有滚水坝1座，基本断面下游240m处有混凝土公路桥1座、900m处2009年新建翻板闸一处。

受太子河公园改造景观的影响，2010年该站基本断面的流量测验设施全部拆除，改在其他断面施测流量。当流量<180m3/s时，在基本断面下游910m处涉水施测流量，当流量>180m3/s时，在基本断面下游240m的太子河大桥上采用桥测方式进行流量测验。由于受桥测车、水位涨落率和漂浮物等条件的限制，在桥上一般采用水面一点法进行流速测验，这就涉及到桥测断面的水面系数采用问题。基本断面的水面流速系数为0.92，由于桥测断面的特殊性，如果直接借用基本断面的水面流速系数，可能会引起较大误差。为了科学合理地确定辽阳水文站的桥测断面水面流速系数，满足流量资料整编精度，提高报汛质量，需要对辽阳站桥测断面的水面流速系数进行分析。

2.分析方法

《水文测验手册》中对水面流速系数的确定推荐了两种方法。一种是采用公式法推求，公式为：

式中：K—水面流速系数；

C—谢才系数；

k—卡门系数；

g—重力加速度，为9.81m/s；

n—河床糙率；

H—垂线水深（m）；

由于公式⑴和⑵中的参数多，对水面系数计算成果影响大，故本次不采用此方法计算桥测断面的水面系数。

另一种方法是采用五点法测速资料进行分析。即以五点法流速作为垂线平均流速，通过与水面流速建立函数关系，从而推算出水面流速系数。五点法垂线平均流速计算公式为：

式中：Vm—垂线平均流速(m/s)

V0.0、V0.2…… V1.0—分别为水面、相对水深 0.2、0.6、0.8、1.0的流速(m/s)

本方法简单易行，成果精度较高，故采用此方法对桥测断面的水面流速系数进行分析。

3.分析过程

3.1 流速测验

2011年6-9月开展了流速测验工作。在基本断面下游240m的太子河大桥上，采用大型桥测车按五点法要求施测各条垂线和测点流速。每个测点的测速时间均为100s，各条垂线水深在3～4.5m之间，满足五点法测速对水深的要求。流速测验严格按照《河流流量测验规范》标准执行，共布设测速垂线38条，测点190个。

3.2 绘制垂线流速分布图

根据相对水深及对应的测点流速绘制出各条测速垂线流速分布图，如图1所示。对各条垂线流速分布图上各个测点进行合理性分析。经分析，各条垂线测点流速分布趋势合理，能够满足推求垂线平均流速要求。

图1 垂线流速分布示意图

3.3 水面流速系数推求

根据公式⑶计算各条测速垂线的平均流速Vm，并将计算成果及水面流速V0.0进行汇总，见表1。以水面流速（自变量X）为横坐标，垂线平均流速（因变量Y）为纵坐标，建立线性函数关系，点绘关系图。从图上可以看出，二者线性相关很好。因此，通过点群中心绘制一条直线，经计算，此直线的函数关系为Y=0.8904X，相关系数R2=0.9829，见图2。

表1 水面流速与垂线平均流速计算成果表

3.4 合理性分析

图2 水面流速与垂线平均流速关系图

采用水量对照的方法对推求的桥测断面水面流速系数的合理性进行分析，即用此水面流速系数推算的5-9月（其他时间为枯水期，在基本断面下游910m处涉水施测流量，不在桥上测流）辽阳水文站断面水量与上下游的的各水文站断面水量进行对照。按通常的规律，断面水量会随着流域集水面积的增大而增大，所以，越往下游，断面水量应该越大。如果太子河干流上的葠窝水库、辽阳、小林子、唐马寨4个站的断面月水量遵循了这个规律，那么就说明所推求的辽阳水文站水面流速系数合理。各水文站还原后的月水量对照见表2。

表2 太子河5-9月径流量还原对照表

采用上游干流站与区间站的水量之和与下游水文站断面水量对比的方法来验证，如：葠+汤表示葠窝水库与汤河水库水量之和（汤河水库、前烟台、立山3个站为区间站，不在太子河干流上），与辽阳水文站断面水量进行比较，其他依此类推。从表2中可以看出，各站断面水量越往下游越大，趋势非常合理。因此，前面推求的辽阳水文站桥测断面水面流速系数是合理的。

4.结论与建议

通过以上的分析，辽阳水文站桥测断面水面流速系数为0.890。通过与上下游水文站断面水量对照，采用此系数计算出的断面水量是合理的。鉴于桥测断面的特殊性，建议此水面流速系数只应用在桥测断面，其他测流断面的水面流速系数仍采用原经验系数。