双捷水文站流量测验简测法分析

2015-07-21周建刚

科技与创新 2015年12期

关键词：流量

摘要：双捷水文站受天然洪水涨落、水利工程闸门启闭和天文潮汐涨落等因素影响，水位涨落较快，流量测验时机难以把握。依据现有实测流量资料，对垂线数和测点总数进行合理精简，大大缩短了流量测验时间，较大程度上解决了流量测验难题。

关键词：双捷水文站；流量测验；简测法；流量

中图分类号：P332.4 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.068

1 流量测验概述

流量测验是基层水文测站的重要工作之一，也是水资源开发利用的基础工作。流量测验精度对工程设计、防洪减灾、洪水预警预报等方面有着重要的影响。在实际工作中，部分水文站受诸多因素的影响，比如天然洪水涨落、水利工程闸门启闭和天文潮汐涨落等影响，其水位涨落较快，流量测验时机难以把握。在保证测验精度的前提下，如何有效完成各项测验任务，是基层水文站必须解决的难题。本文以双捷水文站为例，合理优化流量测验方案，在保证测验精度的前提下，加快流量测验进程，大大减少了流量测验时间。

2 测站概况

双捷水文站是漠阳江干流控制站，位于阳江市江城区双捷镇，集水面积4 345 km2，地理坐标为东经 111°48'21″，北纬 21°57'15″。该站是国家重要水文站、中央报汛站，主要负责漠阳江流域的江河治理、防汛抗旱、水资源开发利用、水工程的建设管理，并系统地收集水文资料。测验项目主要有水位、流量、泥沙、降雨量、水质等。建站以来，实测最高水位9.04 m（全文水位、高程均为冻结基面），相应流量为4 390 m3/s，出现在1981-10-09.

3 测验河段水文特性

双捷水文站控制断面所在河段顺直，高水位时无漫滩分流，两岸为泥土质，河床为沙质。测流断面上游1 125 m处有双捷水利枢纽一座，包含拦河坝一座和捷东、捷西渠道引水工程，拦河坝有闸门72孔控制，左侧有船闸，右侧于2001-08建成电站。测验断面水流受拦河坝闸门启闭和天文潮涨落综合影响，水位涨落较快。当上游出现较大洪水时，双捷水利枢纽闸门全开，双捷河段接近自然河流，水位较高，不受天文潮涨落影响；当洪水退去时，双捷站水位受双捷水利枢纽闸门启闭而急剧涨落，也会受天文潮涨落影响，特别在枯水期尤为明显。近年来，双捷站中高水水位流量关系呈现单一曲线，但测验断面下游采沙频繁，河床年内冲淤变化较大，总体呈逐年下切趋势，导致水位流量关系线逐年向右偏移。

4 流量测验现状

双捷水文站流量测验方法为流速仪法，测验方式为：在中高水时采用缆道施测，低水时涉水施测。目前双捷站流量测验方案主要有精测法和常测法，两种方案的测速垂线分布和测点布置情况如表1所示。

表1 双捷站流量测验方案

测验方案测速垂线

/总测点相对水深测速垂线起点距/m

精测法 21/42 0.2，0.8 30，50，60，70，80，90，100，110，120，130，140，150，170，190，210，230，250，270， 290，310，330

常测法 11/22 0.2，0.8 30，50，70，90，110，130，170，210，250，290，330

近5年来（2009—2013年），双捷站平均流量测验次数为38次，其中精测法1次，常测法37次，各年流量测验情况如表2所示。

表2 双捷站近年流量测验情况一览表

年份 2009 2010 2011 2012 2013

精测法 2 1 1 1 1

常测法 37 38 38 39 38

5 简测法分析

5.1 分析思路

简测法分析的目的是在保证流量测验成果精度的前提下，缩短测流历时，减少工作量，提高测报质量，做到测得到、测得准、测得快。可充分利用现有资料成果，在现有测验方案的基础上对测速垂线数和测点总数进行合理精简，使精简后的指标流速与断面平均流速之间的关系良好，流量测验简测法误差界限如表3所示，该简测方案即可成立。

表3 流量测验简测法误差界限

类别累积频率达75%

以上的误差累积频率达95%

以上的误差系统误差

以常测法资料精简不超过±4% 不超过±8% 不超过±1%

图1 双捷站断面流速分布

5.2 简测方案

5.2.1 水位级的确定

根据双捷站水文特性，中高水水位流量关系呈单一曲线，另外，河床年内冲淤变化较大，总体呈逐年下切趋势，并综合分析近年来双捷站流速仪测流断面大断面，如图1所示，最终确定本次简测法分析仅针对2 m以上水位的测次。

5.2.2 测速垂线总数的确定

由于双捷站河床年内冲淤变化较大，单条垂线缺乏代表性，因此本次分析简测法垂线总数暂定3条，如果指标流速与断面平均流速关系或误差超标，则要适当增加垂线。

5.2.3 测速垂线分布

根据双捷站常测法垂线分布情况和流速仪测流断面中高水流速分布情况，选取起点距90 m、170 m、250 m作为简测法测速垂线。

5.2.4 测点总数确定

双捷站常测法垂线平均流速采用2点法，即相对水深0.2和0.8，简测法分析拟按两种方案进行优选，如表4所示。

表4 双捷站流量测验简测法

测验方案测速垂线/总测点相对水深测速垂线

起点距/m 指标流速

方案A 3/3 0.2 90，170，250 VA=（∑V0.2）/3

方案B 3/6 0.2，0.8 90，170，250 VB=（∑V0.2）/3+（∑V0.8）/3

5.3 方案优选

5.3.1 资料选取

2011年底，双捷站启用新建缆道开展流量测验，起点距测量比之前船测相对准确，因此选取2012-01—2013-12期间水位高于2 m的流量测次作为分析对象，总共有24份流量测次满足条件。

5.3.2 建立断面平均流速与指标流速相关关系

针对所选取的24份流量测次，按照方案A和方案B计算各测次指标流速，将断面平均流速与两方案的指标流速关系点绘于图上，并分别建立相关关系式，如图2、图3所示。

5.3.3 简测方案优选

从图2和图3中可以看出，两种方案的指标流速与断面平均流速相关关系较好，相关系数R2比较接近，且均大于0.95.但实际上，方案A比方案B更优，其原因有两点：①断面平均流速与方案A的指标流速的相关性更好；②方案A测点总数是方案B测点总数的一半，在理论上能节省近一半的测验时间。所以应该选取方案A作为双捷站的简测法，关系式为V断=0.722VA+0.189.

图2 断面平均流速与方案A指标流速关系

图3 断面平均流速与方案B指标流速关系

5.4 误差分析

针对满足条件的24份流量测次，采用方案A进行流量精简，计算每次流量精简后断面平均流速的相对误差，并统计75%和95%频率的误差以及系统误差，如表5所示。

由表5可知，采用方案A计算的流量与实测流量的相对误差不超过±4.0%的有21份，累积频率为87.5%，相对误差不超过±8.0%的有18份，累积频率为100%，系统误差为-0.01%，满足表3中的简测法误差界限。如图4所示，简测法和常测法的比值为1.00，其线型为一条直线，表明简测法和常测法关系良好。

表5 双捷水文站简测法误差分析

序号水位/m 流量

/（m3/s）指标流速

/（m/s）简测法断面平

均流速/（m/s）简测法流

量/（m3/s）误差简常

系数

1 3.39 1 030 1.57 1.32 1 020 -1.0 0.99

2 4.72 1 810 1.86 1.53 1 850 2.2 1.02

3 4.03 1 350 1.51 1.28 1 320 -2.2 0.98

4 3.82 1 290 1.55 1.31 1 300 0.8 1.01

5 3.53 1 060 1.48 1.26 1 050 -0.9 0.99