王家会水文站流量巡测可行性分析论证

2019-01-05杨远宁

山西水利科技 2018年4期

杨远宁

（忻州市水文水资源勘测分局山西忻州 034000）

0 引言

随着山西省中小河流水文监测系统的建设完成，站网密度明显提高，监测范围进一步扩大，站网功能逐步完善，测报手段和能力得到加强，自动化、信息化、现代化的水文监测体系基本实现。

按照水利部（水文[2005]70）《水文现代化建设指导意见》精神，积极推进水文测验方式改革，以勘测队管理若干测站，测站实现有人看管，无人值守，定期检查巡测，实现驻测、巡测、间测和水文调查相结合。我们以山西省水文局王家会水文站作为流量巡测可能性分析论证的典型站点，以满足水文预报、水文分析计算、水资源评价分析等实际需要精度，研究和推进水文测验方式的改革。

1 测站概况

王家会水文站由山西省水文总站于1958年5月设立，位于山西省代县峪口乡王家会村，是滹沱河一级支流峪口河的区域代表站，该站为按区域原则规划的基本站，代表山西省中部（五台山背坡）土石山区，为研究降水-径流关系积累水文资料。主要测验任务有：水位、流量、泥沙、水温、冰凌、降水。

控制流域面积333 km2，断面以上主河道长度为26.8 km，主河道平均坡度为25.4‰，流域形状系数0.464。实测最大洪峰流量为319 m3/s，发生于1964年7月21日。多年平均河川径流量为2 467万m3，折径流深74.1 mm，多年平均年径流系数0.156。实测最大洪峰流量为319 m3/s，发生于1964年7月21日。实测多年（1958—2016年）平均输沙量13.1万t，输沙模数为393 t/km2。

测验河段基本顺直，河床为砂砾石组成，右岸为较大砂砾石陡岸，左岸为沙砾石梯地，基本断面河床块石较多，间有粗砂。断面为单式窄深河床，一般洪水冲淤变化不大，高水时涨冲落淤，冲淤变化一般在0.5m左右。

2 资料收集年限及内容

收集的资料既要涵盖高中低水、丰平枯年范围，又要反映现状年测站水文特性情况。根据以上原则，我们确定以下资料范围及内容：

1）收集资料年限：1992—2016 年，25 年。

2）收集资料内容：本次收集资料内容主要有测站概况、实测流量成果表、实测大断面成果表、逐日平均水位表、逐日平均流量表、洪水水文要素摘录表等。

3 测站控制条件及其变化分析

水位流量关系的好坏与测验断面冲淤变化密切相关。断面稳定，水位流量关系就好。断面冲淤严重，水位流量关系就差。分析测站测验断面冲淤情况以及河底高程的稳定性是测站特性分析的重要基础工作。主要从测站历年大断面变化情况和测验断面历年平均河底高程演变情况进行分析。

依据王家会站1992—2016年实测大断面资料，点绘历年实测大断面比较图（图1），分析测验大断面的变化情况。

图1 王家会站历年实测大断面比较图

采用王家会站1992—2016年25年的1 588次实测流量进行计算断面每年的平均河底高程。平均河底高程采用水位减去断面平均水深的方法求得，断面平均水深由断面面积除以水面宽得到。点绘平均河底高程变化图（图2），根据河底高程起伏确定河川稳定性。

从图1和图2分析，1994年发生洪水后，河道以淤积为主，一直持续到1998年，河底高程变化较为明显；1998年发生洪水后，河道以冲刷为主；2016年因运输大型风力发电设备，临时便道从测验断面处经过，使得河底高程整体抬高。除此以外，从1999年至今（不考虑2016年），王家会站历年平均河底高程最大变幅约为0.15 m，测验断面总体相对稳定。

图2 王家会站历年平均河底高程演变图

4 历年水位流量关系线的分析

4.1 水位（流量）级划分

王家会站按精度划分属于三类精度站，根据该站各年汛期总水量Wf，计算频率并绘制曲线，取汛期径流量频率p为10%、50%、90%所对应的径流量相近的年份为丰、平、枯水典型年。依据汛期径流量频率p为10%、50%、90%所对应的径流量相近的年份为丰、平、枯水典型年，分别为2008年、2006年、2002年。

根据三个典型年的汛期逐日最高水位Z′m，计算频率并绘制频率曲线，取频率p为10%、50%、90%所对应的水位为高、中、低水位，分别为51.40 m、51.10 m、50.80 m。由此得出王家会站的高水期为大于等于51.40 m，中水期为 51.10～51.40 m，低水期为 50.80～51.10 m，枯水期为小于50.80 m。对照历年实测大断面比较图和平均河底高程变化图，据此分析的水位级代表性较差。

由于王家会站历年实测流量平均水深相对较小，河槽冲淤变幅最大为0.6 m，超过大部分实测流量平均水深的30%，故水位代表性较差，依据《河流流量测验规范》（GB50179-2015）4.4.3条之规定，采用1992—2016年实测流量系列，按照流量进行划分。

1）首先根据王家会站1992—2016年最大流量，计算频率并绘制频率曲线，取频率p为10%所对应的流量10.0 m3/s为高水流量。

2）根据王家会站1992—2016年各年年平均流量，计算频率并绘制频率曲线，取频率p为50%、90%所对应的流量0.910 m3/s、0.240 m3/s为中水流量和低水流量。

由此划分出王家会站的高、中、低、枯水期。高水期为大于等于10.0 m3/s；中水期为0.910～10.0 m3/s；低水期为0.240～0.910 m3/s；枯水期为小于0.240 m3/s。

4.2 不同水位（流量）级水位流量相关性分析

1）资料选取范围

为提高分析精度，满足误差分析精度要求，高、中、低、枯水位流量关系所选资料均为1992—2016年汛期（6—9月份）实测流量资料。

2）单值化处理方法及应用

水位流量关系因受洪水涨落、变动回水、断面冲淤变化等诸多水力因素的影响，其相关性不一定呈单一关系，这种情况一般要进行单值化处理，建立某一水力因素与流量的单一关系，以便进行定线推流。根据王家会站河道变化特点，我们采用流量与面积、平均水深的关系进行单值化处理，式中：Q为流量（m3/s）；A 为断面面积（m2）；d¯为平均水深（m）。

3）高水期水位流量关系

对王家会站1992—2016年高水期实测流量资料进行统计分析，见图3。可以看出王家会站高水部分水位流量整体关系较好，图中偏左部分的12个点，大都是大水过后河床产生淤积所测，与系列值偏小，故对王家会站1992—2016年高水实测流量资料进行单值化处理，其相关性很好，详见图4。

图3 王家会站1992—2016年高水期水位—流量关系线图

图4 王家会站1992—2016年高水期单值化关系线图

4）中水期水位流量关系

对王家会站1992—2016年中水期流量实测流量资料进行统计分析。水位流量关系相关性比较散乱，单值化处理后的关系性也较差，见图5。主要原因为中水期流量较小，影响流量变化的控制因素不如高水时稳定。通过对资料的分析，选取了近六年即2011—2016年的实测资料进行单值化处理，相关性比较好，见图6。

图5 王家会站1992—2016年中水期单值化关系图

图6 王家会站2011—2016年中水期单值化关系线图

5）低枯水期水位流量关系

对王家会站1992—2016年低枯水期实测流量资料进行统计分析。水位流量相关性比较散乱。单值化处理后相关性改善也不明显。对于低枯水部分，影响流量变化的控制因素更不如中高水时稳定，反映在水位流量相关性上较为散乱。低枯水期的水位流量关系根据断面控制条件的变化，分时段建立水位流量关系进行推算流量。

5 误差分析

按照规范要求，误差分析主要从以下方面进行。

1）关系曲线符号检验、适线检验和偏离值检验。依据《水文资料整编规范》（GB50179-2015）3.4.1规定。

2）水位流量关系单值化后系统误差及随机不确定度分析计算。依据《水文巡测规范》（SL195-2015）4.5.2规定。系统误差不大于3%，允许随机不确定度见表1。

表1 单值化关系线定线允许随机不确定度

5.1 高水期误差分析

1992—2016年高水期单值化关系曲线检验结果见表2。

表2 2011—2016年王家会站高水期单值化曲线检验结果

5.2 中水期误差分析

2011—2015年中水期单值化关系曲线检验结果见表3。

表3 2011—2016年王家会站中水期单值化曲线检验结果

5.3 低水期误差分析

该站低枯水期水位流量关系散乱，相关性较差，检验结果很难合理，这里我们不再做分析了。

5.4 水量误差分析

依据《水文巡测规范》（SL195-2015）4.4.5规定，对不同时段的径流量进行误差分析。

时段总量允许误差控制指标依据《水文巡测规范》（SL195-2015）4.5.3规定，见表4。

表4 时段总量允许误差指标

单场次洪水总量对比选取了1992—2016年系列中，实测流量最大年份1998年的最大实测洪水段，其实测最大流量为流量208 m3/s；汛期总量和年总量选取汛期径流相对丰沛的2011年进行对比分析计算；其中推算流量，高水部分采用1992-2016年历年单值化关系线推算，中水部分多年单值化关系线推算，低枯水部分采用单年率定关系线推算，对比结果见表5。

表5 王家会站时段总量对照表

为了进一步做好巡测部署工作，确保测验精度，我们对该站非汛期径流特性进行了分析计算，旨在分析该站在非汛期精简测次的情况下，对比其径流量的误差情况。我们选取丰、平、枯水年三个年份，分别为2008、2006、2002 年，时间段为非汛期 1—5、10—12月，采用原年份实测流量，分别选取每月一次、两次、三次实测流量，采用连实测流量法算出相应的非汛期径流量，同年鉴的径流量相比较，对比结果详见表6。