祖厉河流域中泓浮标系数分析

邓念德

摘要    中泓浮标法是河流洪水暴涨、暴落且流速仪测流困难或发生特殊水情时水文站采用的备用测流方法。本文根据祖厉河会宁、郭城驿、靖远3个水文站多年实测流量资料，对祖厉河流域天然河道中泓浮标系数进行计算与分析，其结果可以为突发洪水、特殊水情、应急监测、防洪预警以及测验人员不足情况下流量测验提供技术依据。

关键词    中泓浮标;系数;流量;误差计算;祖厉河流域

中图分类号    P332.4        文献标识码    A        文章编号   1007-5739（2018）23-0190-02

祖厉河发生洪水时，泥沙大、漂浮物多，中高水期无法采用流速仪测流量。中泓浮标法作为水文站一种备用的测验方法，是河流洪水暴涨、暴落且流速仪测流困难或发生特殊水情时主要采用的测流方法。为了满足流域内突发洪水、特殊水情、应急监测、防洪预警以及测验人员不足情况下流量测验需要，通过会宁、郭城驿、靖远3个站历年实测浮标（均匀浮标法）流量资料，运用水位-流量关系曲线法和水面-流速系数法计算对比分析各站相关关系，确定各站中泓浮标系数，在符合规范规定的前提下，为祖厉河流域天然河道流量测验提供技术依据。

1    研究区概况与分析方法

1.1    研究区概况

1.1.1    流域概况。祖厉河是黄河一级支流，又名祖厉川、屎岔河、南河。祖厉河上源是厉河，发源于甘肃省会宁县南部与通渭县交界处的华家岭北麓，北流至会宁县城汇合东来祖河后始称祖厉河，北偏西流至靖远县城西3 km处的红嘴子注入黄河。主河道全长219 km，流域面积10 680 km2，多年平均流量3.29 m3/s，年径流量1.05亿m3。流域面积50 km2以上河流有68条，面积500 km2以上河流有6条。

祖厉河流域属温带半干旱气候区，气温由南向北递增，上游以会宁县气象站为代表，年平均气温6.6 ℃，下游以郭城驿站为代表，年平均气温8.6 ℃;降水由南向北递减，多年平均降水量由南部的488 mm逐渐减少到北部的244 mm。

流域地处陇西黄土高原，地貌形态为黄土丘陵和残原，湿陷性黄土层厚达15～25 m，植被稀疏，冲刷严重，河水中平均含沙量457 kg/m3，最大含沙量高达1 110 kg/m3，平均年输沙量6 764万t，是世界上含沙量最大的河流之一。河水中含有大量镁、钠、钙等元素，矿化度达3 g/L以上，水质苦咸，不能利用，是黄河流域著名的苦水河。

1.1.2    水文站点情况。祖厉河干流自上而下设有会宁、郭城驿、靖远3个水文站。其中，郭城驿、靖远2个站是国家重要水文站，其实时监测祖厉河雨水情信息及收集地表水资源基础资料，并承担祖厉河雨水情防汛预警任务，为下游区域防洪减灾提供科学技术依据。各站点分布见图1。

1.1.3    河流基本特征。祖厉河属高含沙河流，具有山溪性河流的特征[1]，徑流来源主要是暴雨洪水，平时河流接近干涸。根据会宁、郭城驿、靖远3个站历年水文资料分析确定，祖厉河洪水过程陡涨陡落，呈尖瘦型，上下游洪水变化过程较为一致。河床由淤泥细沙组成、含沙量大、冲淤变化频繁是3个站测验河段的主要特征。

1.2    资料系列选用

点绘祖厉河流域年均降水量与年径流量时序累积值相关曲线图如图2所示。可以看出，祖厉河流域受流域气候变化及人类活动影响，流域水文特性发生较大变化，祖厉河流域降水-径流双累积曲线在1995年后发生显著偏移，表明流域水文特性在1995年后产生变化。因此，在保证水文资料的连续性、一致性、准确性、可靠性的前提下，为提高分析精度，会宁、郭城驿、靖远3个站采用水文资料系列为1996—2016年。

为了保证分析精度和质量，根据以上3个站实测资料及各自测验河段特性，选用各站流量>50 m3/s以上数据样本进行计算分析，会宁、靖远站选用资料系列样本各70个，郭城驿站选用样本114个。

1.3    分析方法

1.3.1    依据。《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）C.6.1条规定：水面浮标系数的试验，有条件进行比测试验的测站，应以流速仪法测流和浮标法测流进行比测试验;无条件比测试验的测站，可采用水位流量关系曲线法和水面流速系数法确定浮标系数[2-3]。浮标系数应由断面流量除以断面虚流量，或由断面平均流速除以断面平均虚流速，或断面平均流速除以中泓（最大水面虚流速）、漂浮物浮标流速[4-5]。

由于祖厉河会宁、郭城驿、靖远3个站在中高水期无法使用流速仪法进行流量测验。因此，根据这3个站的历年实测浮标流量（均匀浮标法）资料，采用水位-流量关系曲线法和水面-流速系数法2种方法进行对比分析，确定相应的泓浮标系数[6]。

1.3.2    中泓浮标系数计算分析。

（1）水位-流量关系曲线法计算分析。根据各站选用的资料系列样本，采用中泓浮标法计算分析，其计算如下式：

Q=Kmf AmVmf

式中：Q为断面流量（m3/s），Kmf为中泓浮标系数，Am为断面面积（m2），Vmf为中泓浮标水面（最大）流速（m/s）。

（2）水面-流速系数法计算分析。根据《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）C.6.6条规定要求：采用水面流速系数的试验资料间接确定浮标系数，并应符合中泓水面流速系数的试验，宜按高水期所选用的一种测流方案比测分析。

2    结果与分析

2.1    水位-流量关系曲线法计算结果

通过中泓水面（最大）流速浮标间接求出各级水位断面虚流量，以实测流量（水位-流量关系）为纵坐标，中泓虚流量为横坐标，点绘关系曲线，见图3。求得会宁站相关关系R2=0.989 0，K=0.722 0;郭城驿站相关关系R2=0.970 8，K=0.658 5;靖远站相关关系R2=0.987 9，K=0.730 5;即各站中泓浮标系数会宁站为0.722 0，郭城驿站为0.658 5，靖远站为0.730 5。

2.2    水面-流速系数法计算结果

采用历年中高水实测资料（均匀浮标法），建立3个站断面平均流速及中泓最大水面虚流速关系，见图4。求得会宁站相关关系R2=0.919 7，K=0.697 0;郭城驿站相关关系R2=0.915 4，K=0.705 5;靖远站相关关系R2=0.953 0，K=0.728 0;即各站中泓浮标系数会宁站为0.697 0，郭城驿站为0.705 5，靖远站为0.728 0。

2.3    流量还原计算

通过2种方法计算分析，郭城驿站采用水位-流量关系曲线法得出的中泓浮标系数偏低。经分析，其原因主要为受其支流关川河汇入后，部分场次受回水顶托和冲淤变化频繁造成水位抬高、面积增大、流速变小导致系数偏小。

经对3个站实测资料按照水面-流速系数法计算结果进行流量还原计算，剔除因测验误差造成的测点，各站均匀浮标法计算与中泓浮标法计算断面流量分析误差见表1～3。

3个站经用水面流速法分析结果进行流量还原计算，可以发现，90%以上系列资料相对误差符合《河流流量测验规范》（GB 50179—2015）精度要求，中水期仅有少数选用样本误差达到8%～11%，其原因主要是测验河段受冲淤变化造成断面面积变小所致。

3    结论

采用水位-流量关系曲线法计算祖厉河会宁、郭城驿、靖远3个站中泓浮标系数，其中郭城驿站计算结果偏低。因此，以上3个站采用水面-流速系数法分析结果，即中泓浮标系数会宁站为0.697 0、郭城驿站为0.705 5、靖远站为0.728 0。通过流量还原计算，流量成果95%的样本均在允许误差之内，其计算结果符合本站河流特性。

4    参考文献

[1] 杨成有，刘进琪.甘肃江河地理名录[M].兰州：甘肃人民出版社，2014.

[2] 朱晓原，张留柱，姚永熙.水文测验实用手册[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.河流流量测验规范：GB 50179-2015[S].北京：中国计划出版社，2016.

[4] 饶斌，陈玉斌.水文站中泓浮标系数分析[J].低碳世界，2018（4）：64-65.

[5] 楊立敏.碧口水文站中泓浮标系数试验分析[J].甘肃水利水电技术，2017，53（10）：21-24.

[6] 黄世洪，邹费祥.两种浮标测验法的对比分析[J].长江工程职业技术学院学报，2016，33（2）：5-7.