八道河龙湾水文站测流垂线精简分析

程瑞修

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118000)

1 测站特征

龙湾水文站主要监测八道河水文要素，地处辽宁省丹东市凤城市大堡镇纪家村，E124°11′，N40°36′，集水面积854km2，为区域代表站，流量测验精度为三类，承担向国家防总、松辽委、辽宁省防总、丹东市防总的报讯任务。水文站测验河段顺直长约1000m，主流偏左，洪水时比降大、水流急。基本水尺断面下游约300m处有一处弯道，左岸为砂土缓坡，右岸砂石陡坡，河床为沙卵石组成，冲淤变化不大(详见图1)，历年水位流量关系较为稳定。

图1 龙湾水文站大断面图

2 水位等级划分及宽深比分析

2.1 水位等级划分

本站水位基本处于天然状态，通过畅流期频率水位计算，将水位等级划分为高、中、低、枯4个时期，详见表1。

表1 龙湾水文站水位等级划分

2.2 宽深比分析

根据《河流流量测验规范》(GB 50179-2015)，选取了 2018年测流水位在 93.50m以上的30份测流数据，根据数据中河流的水面宽度(B)和平均水深(D)，进行了宽深比(B/D)分析。30份数据计算出的宽深比值在100-146.8之间，且从30份实测流量数据中可以得出，河流水面宽基本在57.2-190m之间波动。龙湾水文站的河床主要为砂卵石，两岸为石砌防洪堤，为该水文站监测断面的稳定性提供了支撑[1]。

3 精简方案

3.1 常测法测速垂线数目要求

根据《水文测验手册》中常测法测速垂线数的布设要求，当河道水面宽与平均水深之比值(B/D)>100时，河道为宽浅河道。通过对龙湾水文站宽深比分析得出，该水文站值宽深比值范围为100-146.8，故而龙湾水文站所处河段属于宽浅河道，其采用常测法时测速垂线数目应布设10-14条，在不影响精度的前提下确定保留的垂线数目。

3.2 精简分析

绘制垂线平均流速、水深横向分布图(图2)。分别绘制有代表性的及精度较好的中、低水位垂线平均流速，96.0-94.5m处于中水位级，94.5m以下处于低水位级。

图2 龙湾水文站垂线平均流速横向分布曲线及综合断面

根据《水文测验手册》中常测法垂线﹑测点综合精简的要求，结合本站的断面情况及上图所示的垂线流速横向分布变化趋势，选取起点距为140m、150m、160m、170m、180m、190m、200m的垂线作为分析对象，以断面平均流速为纵坐标，各所选取垂线的流速为横坐标分别建立相关关系。通过相关关系图筛选相关关系较好的三条垂线。

1)布设一条测速垂线简测法精简分析：

根据所选取各垂线流速与断面平均流速的相关关系图，起点距为160m时，垂线流速与断面平均流速相关关系最好，其线性关系为：Y=0.597X+0.511，R=0.947，如图3所示。

图3 起点距160m垂线平均流速与断面平均流速相关关系图

2)布设两条测速垂线简测法精简分析：

筛选垂线流速与断面平均流速相关关系较好的两条垂线(起点距160m、170m)，以两条垂线的流速平均值为横轴，断面平均流速为纵轴建立相关关系(图4)，通过相关图可以看出两者相关关系较好，其线性关系为：Y=0.537X+0.688，R=0.962。

图4 两条垂线平均流速与断面平均流速相关关系图

3)布设三条测速垂线简测法精简分析：

筛选垂线流速与断面平均流速相关关系较好的三条垂线(起点距140m、160m、170m)，以三条垂线的流速平均值为横轴，断面平均流速为纵轴建立相关关系(图5)，由图得出两者相关性较强。其线性关系为Y=0.660X+0.434，R=0.985。

图5 三条垂线平均流速与断面平均流速相关关系图

3.3 误差分析

根据《水文测验手册》，将一条测速垂线(起点距160m)、两条测速垂线(起点距160m、170m)、三条测速垂线(起点距140m、160m、170m)折算得的流量与精测流量相比，分析各测量方案误差是否符合规定。把30份实测流量数据按上述三种精简方案重新计算流量，统计精简前后数值的相对误差，计算结果详见表2。根据计算结果将各误差值由负到正、有小到大依次排列，统计其累积频率(表3)。

表2 精简前后流量对比分析表

续表2 精简前后流量对比分析表

表3 流量误差统计分析表

由流量误差统计分析表可以看出，采用140m、160m、170m三条垂线平均流速代替断面平均流速算出的流量误差值最小。按照规定，可将累积频率为50%的误差数值作为精简方案的系统误差，统计出140m、160m、170m三条垂线累积频率为50%的误差数值为1.2%，即该精简方案的系统误差为1.2%<2%，满足常测法误差界限。此外，以河道水位为纵坐标，以精简前后流量为横坐标作图(图6)，由图可以看出两种方法的流量拟合度较好，满足测验和报汛的要求。以上分析表明140m、160m、170m三条垂线简测法成立，可用该方法作为经常性测流方法。

图6 常测法与精简后测法计算的流量图

4 结 论

龙湾水文站属于暴涨暴落的山区性河流，洪峰持续时间较短。流速仪测流断面在没有经过精简方案分析前，水位在93.50米以上时，测流垂线需10条以上，导致测流时间过长，易错失抢测洪峰时机，所测流量精度也不够准确。通过精简分析，若使用新的施测方案(140m、160m、170m三条测速垂线简测法)，将在节省测流时间、及时抢测到洪峰流量的同时，又能够保证实测流量成果的精度，且流量成果达到整编规范的要求，有效地提高了工作效率，增加了报汛的时效性。

通过精简分析得到的施测方案，只需监测140m、160m、170m三条垂线的流速，通过水位、大断面图查得断面面积，进而即可求得相应的流量。该方法不仅提高了测流工作效率，而且为下一步能够实现流量的实时在线测量提供了便利条件，为今后的水文现代化应用提供了参考和理论支撑。