炎陵水文站巡测方案再精简对流量精度的影响分析

李玉芳

（株洲水文站　株洲市　412000）

李林华

（株洲水文水资源勘测局　株洲市　412000）

炎陵水文站巡测方案再精简对流量精度的影响分析

李玉芳

（株洲水文站株洲市412000）

李林华

（株洲水文水资源勘测局株洲市412000）

文章对炎陵水文站现行的巡测技术方案外延式验证、巡测测次再适当减少后流量误差的允许范围及巡测前后资料精度的一致性稳定性这三个方面进行了分析论证。从分析计算结果来看，该水文站的流量测验断面比较稳定，巡测方案适合，流量测次还可以进行适当的减少，精简后流量资料的连续性与一致性分析中也未出现明显变化。说明炎陵水文站原巡测方案是可行的，流量测次适当减少后对资料精度的影响也基本上在巡测技术规范之内。

流量巡测再精简精度分析误差

1　问题提出

炎陵水文站受涉水工程影响的程度较轻，所在流域的下垫面状况改变也较少，原流量巡测方案因涉水工程等影响亦未改变其控制条件，2013年底对原巡测方案进行了外延式三线检验分析验证，其结论是：不需要进行调整。在此基础上，本文对原巡测方案再次进行了精简，经分析其相对误差较少，基本上能达到流量资料整编规范精度要求。特别是在平水期，每月可以再适当减少流量测次，即每两个月实测2～3次，这样再减少近1/3流量测次，全年30次左右的测次可以减少到20次左右，为实现区域巡测提供良好的技术支撑。

2　测站基本情况

炎陵水文站位于湖南省炎陵县霞阳镇五里牌村，东经113°44′，北纬26°29′。1959年1月1日设立，集水面积814 km2，是湘东山区代表站，属国家二类精度站。现有测验项目：水位、流量、降水量、蒸发量，上游有5个配套雨量站。另附带管理斜濑水2个雨量站。该站测验河段顺直长约400 m，断面呈“W”型，纵向呈喇叭状向下游扩散。基本断面上、下游200 m处各有急弯滩起测站控制作用，控制良好。河床右岸为岩石，左岸为沙、粘土及稻田；河床自上比降起为倒坡河床，由沙卵石组成，基本稳定，大洪水时稍有冲淤变化。基本断面上游约2 000 m处，右岸有城关支流汇入，并建有800 kW小电站一座，开、闭闸门对低水位有一定影响。

3　原巡测方案及外延验证

3.1原巡测方案

自1959年设站至1972年以前该站流量每年采用单一曲线法整编，1972年后由于站房旁建有县造纸厂，每年大量的炉渣等工业废料倒入基本断面下游约80 m处右岸河道内，一般洪水时炉渣等工业废料被冲至下游控制河段弯道处淤积起来，遇高洪水位时又被洪水冲走，所以，1972年以后每年都是临时曲线法整编。其间有1972年、1975年、1976年作者简介：李玉芳（1974-），女，助理工程师，从事水文监测与分析；李林华（1964-），男，高级工程师，从事水文监测与水资源分析研究。1984年、1985年、1997年各出现1次绳套，各次绳套涨落支线偏离均在5%内，经分析，该站出现绳套的主要原因是控制断面冲淤变化，而与洪水高低和涨落率大小关系并不明显，也可做两根临时曲线处理。1989年，经原湖南省水文总站批准，从当年起实行流量间测，停3年测1年，停测年份采用历年综合线推流。1991年株洲地区所属测站重新进行站队结合巡测分析时，对该站原停3年测1年改为全水位变幅巡测，水位在87.00 m以下按巡测点据定线推流，以上采用历年综全线推流。1992年7月6日该站发生当时建站以来最高洪水（92.34 m），洪水导致控制断面严重淤积，1992年后各年的水位流量关系曲线都比1991年以前的历年综合线偏少。从1992～ 1998年恢复常规测验。

1998年对炎陵水文站1992～1997年实测资料重新进行分析，经批准，自1999年起，流量测验按巡测方案要求，全年实行巡测，每半月测流1次。各级水位流量测点均匀布置，全年测好1次较大洪水过程。该方案实施至今。

3.2对原巡测方案外延验证

根据规范规定对水位流量关系曲线进行符号检验、适应性检验和偏离数值检验。利用2008～2012年实测流量资料成果，各年水位流量关系情况统计如表1。

表1　2008年～2012年水位流量关系曲线检验计算成果汇总表

从表1可以看出，2008～2012年定线完全符合水文巡测规范要求，说明流量测点年内离散程度较小。

3.32008～2012年各年水位流量关系曲线对比分析

本文目的为验证炎陵站原有流量巡测方案是否适用。为此，将各年水位流量关系曲线点绘在一张图上，从而掌握各年际间水位流量关系曲线变化趋势，该站2008～2012年各年水位流量关系曲线见图1。

图1　炎陵站2008～2012年水位流量关系曲线图

从图1可以看出，2007～2009年3年水位流量关系变化较大，主要是2007年该站出现设站来最大洪水，断面被冲刷，因此2008年水位流量关系线在90.00 m以下较2007年偏大，90.00 m以上因为基下350 m处，一民营企业进行厂房改造，大量泥土及红砖等杂物堆积河中，影响流量显著偏少，故2008年关系线与2007年线约在89.5 m处交叉。2010年11月11月2日后，由于炎陵县修建衡茶吉铁路和岳汝高速，需大量河砂，部份民工在该站控制断面下游挖沙，引起枯水流速明显偏大，形成临时2线。除上述人为因素引起水位流量关系变化外，从2009年起，线与线间基本接近，部分水位线重合，特别是2011年度与2012年水位流量关系基本重合。

本文对2008～2012年各年水位流量关系曲线分别进行了三线检验，检验结果满足规范和巡测方案要求。炎陵站现有巡测方案实用可靠，精度满足规范要求。

4　原巡测方案再精简分析

4.1再精简的原则与方法

按随机抽取的原则，该站年总测次在30次左右，每月施测2次，因此本次分析选取2个样本系列，水位流量关系线进行三线检验通过后推求年逐日水位流量值，然后与原整编流量进行误差分析。在随机抽取样本中，如果未抽取到年最大、最小测次流量，则增加至样本系列中。

4.2误差统计

根据该站巡测成果资料分析，流量再次精减1/3测次，随机做出2个样本，进行分析统计，其计算结果见表2与表3。

根据《水文巡测规范》表4.3.3和表4.3.5允许误差指标要求，其年总量、次洪总量、以及枯水期误差基本上在其允许误差范围内（个别年份有部分误差指标超出其允许范围）。总体上来说，该站再次精减少量测次是可行的，能满足现行巡测规范要求。

表2　炎陵站样本1特征值误差分析统计表%

表3　炎陵站样本2特征值误差分析统计表%

4.3大断面变化分析

该站河床基本稳定，历年大断面变化综合曲线基本比较稳定，未出现明显的冲淤现象，见图2。

图2　炎陵水文站多年大断面综合图

5　巡测前后精度一致性分析

本文采用突变分析法、趋势性分析法来判断测验方法改变前后水沙变化一致性状况。本文取1990～2010年21年间巡测前后年平均流量资料为分析样本。

5.1突变分析法

本文运用Mann-Kendall法。该方法以时间序列平稳为前提，并且该序列是随机独立的，其概率分布等同。在其原假设T0：时间序列没有变化情况下，此序列为：i

式（1）中mi为第i个样本xi大于xj（1≦j≦i）的累积数。

在原序列的随机独立等假设下，dk的均值和方差分别为：

dk将标准化：

给定一显著性水平值α0，当α1〉α0时,拒绝原假设，表示序列将存在一个强的增加或减少趋势。所有u（dk）（1≦k≦N）将组成一条曲线，当曲线超过信度线（本文分析取α0=0.01，相应地信度值范围为：-2.58～2.58），即表示存在明显变化趋势。把此法引入到反序列中，得到另一条曲线，如果正反曲线交叉占位于信度线之间，这点便是突变点的开始。本文选取该站1999年实行巡测方案前后各10年资料（即1990～2010年）进行精度一致性分析，计算结果如下。该站年径量未出现突变现象，说明巡测方案改变前后测验方式与流量精度比较一致，而且波动范围比较小。见图3。

图3　波动变化曲线

5.2趋势分析法

本文采用累加滤波器法，它能反映时间序列定性趋势。其基本计算公式为：

式中Sx均——累计平均值；

xi——水文时间系列值；

x均——水文时间系列均值；

k=1，2，3，…，n（n为水文时间系的长度）；

i=1，2，3，…，k。

从该站流量累计平均过程曲线可知，其累积滤波器法显示，该站径流量1990～2010年总体呈现明显上升趋势，而之后2002年后出现微弱波动下降势态并趋于稳定。说明与巡测方案实施没有什么关联（图4）。

图4　炎陵水文站年均流量累计平均曲线图

6　结论

从对炎陵水文站现行的巡测技术方案外延式验证、巡测测次再适当减少后的流量误差的允许范围到巡测前后资料精度的一致性稳定性三个方面进行了分析论证。从分析计算结果来看，该水文站的流量测验断面比较稳定，巡测方案适合，流量测次还可以进行适当减少，精简后流量资料的连续性与一致性分析中也未出现明显变化，说明炎陵水文站原巡测方案是可行的，流量测次适当减少后对资料精度的影响也基本上在巡测技术规范之内。

（2016-02-10）