辽东暴雨洪水易发区河流测速垂线精简新算法的应用分析

2020-12-14吕博

水利技术监督 2020年6期

吕博

(辽宁省阜新水文局，辽宁阜新 123000)

按照国家GB50179—2015《河流流量测验规范》规定，水文站常规测验方法要求水面宽小于50m时不少于5条测验垂线，但在高洪测流时，由于需要布设的垂线较多，使得一次测流的时间较长，常错失抢测洪峰时机，测到的流量精度也不够准确[1]。有研究成果表明[2- 6]，在暴雨易发区可结合河流水情特点，对测验垂线进行精简，从而提高测验效率，保障汛期测流的时效性。辽宁省最大24h暴雨量超过300mm的区域全部集中在辽东地区，属于洪水极易发区[7]。该区域河流水面宽度均较大，按照水文测验规范要求，当水面宽与平均水深之比值(B/D)大于100时河道测速垂线在8～14条，常规测流方式下，辽东地区大型河流均需要布设8条以上测速垂线，常规测流方式下一次洪水测验耗时在1.5～2.5h内，在发生大洪水或者超标准洪水时，其时效性很难满足防汛决策的要求。近些年来，许多地区已经展开水文测验精简方式的研究[8- 15]，但是各地区由于河流特点不同，测验精简的方式有所不同，需要结合不同区域河流水文测验的特点，因地制宜地开展水文测验方式的精简分析研究，从而提高辽东暴雨洪水易发区防洪决策的时效性，保障大洪水期间人民生命财产安全。

1 水文站流量测验垂线的布设原则

GB50179—2015对不同类型水文测站垂线的布设明确了6个方面的原则如下：

(1)垂线精简方式。对于可以进行精简分析的水文测站，在根据多条垂线进行流量测定的基础上，对垂线精简分析，从而确定最优的垂线精简条数。

(2)垂线间距比例。为降低不同垂线数目对流量测定系统以及随机误差的影响程度，应合理设置不同垂线的间距，不同垂线的间距与不同水位级下总的水面宽度之间的比例应该严格按照一类水文站7%～10%，二类水文站站8%～11%，三类水文站9%～12%进行设定。

(3)垂线的适当调整。对于宽深比特别大以及河流漫滩较为严重的测流断面，或者是河床组成较为复杂的河流应适当增加垂线的条数，满足流量监测精度的需求。

(4)垂线的优化布设。对于河流水文情势变化较为剧烈且未进行垂线精简分析的站点，少线少点法不能使用时，应酌量减少垂线的条数；但水面宽小于50m时垂线的条数不应小于5条，应保证其测流精度不低于采用浮标法进行测流的精度。

(5)垂线的数目和布设位置。河床不稳定或者河道主流摆动剧烈的水文测站，垂线不宜过少，在流速脉动特别大的区域，应尽量避免布设测速垂线。在河道主流部分应尽量多布设垂线。

2 测速垂线精简算法

垂线精简精度评定主要采用误差试验的方式，首先对精简测验河段地形数据、大断面地形数据、流速分布数据以及水位流量特征数据进行收集和整理。其次是制定垂线精简的误差试验方案，流量测验的误差方案应在不同水位级下均匀分布，并在水流较为稳定的条件下进行流量误差试验。此外，对流量误差试验分析的水位变幅应按照不同类别水文站进行设置，一般而言对于一类精度的水文站，其水位变幅应该小于0.1m，二类和三类精度的水文站，其水位变幅应小于0.3m。垂线精简后，一般不同水位级别下测验次数不能小于15次，由于大洪水期间水文测验的精简分析较为困难，则应选择在水流较为稳定的时期进行垂线精简误差试验分析。不同水面宽度的误差试验精度评定结果见表1。

3 实例分析研究

3.1 测站概况

本文选取鞍山地区的岫岩站以及大连地区的冰峪沟站举例分析水文测验精简试验结果。岫岩水文站位于岫岩县岫岩镇兴隆社区，东经123°17′，北纬40°17′。该站点是大洋河上游的重要控制站，也是区域主要代表站，集水面积为910km2，距大洋河河口115km，中高水河宽约200m。大连地区冰峪沟水文站位大连市庄河市仙人洞镇英那河村，东经122°59′，北纬40°00′，集水面积240km2，所在河流属山溪性河流具有暴涨暴落特性。测验河段顺直长约1000m，洪水主流居中、比降大、水流急、中水时水面宽约为75m。

3.2 宽深比确定

根据GB 50179—2015规定选取 2017、2018测流水位在中高位置的流量测次24份。分别计算出测验24份流量时河流的水面宽度(B)和平均水深(D)，做宽深比(B/D)分析。通过计算得出的宽深比(B/D)值为200～600。从24份实测流量来分析，岫岩站水面宽范围为316～463m，宽深比值(B/D)范围在216～419，为宽浅河流。冰峪沟站水面宽范围在73.1～91.7m，宽深比值(B/D)范围在51.2～81.3，为窄深河道。

3.3 断面平均流速与垂线流速相关性分析

根据《水文测验手册》常测法的垂线﹑测点综合精简分析的要求，结合2个站的断面情况、垂线流速横向分布变化趋势，采用起点距分别为：100、110、120、130、140、150、160、170m的垂线流速，以断面平均流速为纵坐标，以每条垂线的流速为横坐标建立相关关系，结果如图1—2所示。

图1为选取的岫岩站不同起点距各垂线测定流速和断面平均流速之间的相关性，从各垂线的相关分析结果可以看出，各单条垂线流速和断面平均流速的相关性均较好，各垂线相关系数均在0.80以上，起点距对垂线测定流速和断面平均流速之间相关系数影响较低。在岫岩站各垂线中，选择相关性较好的2条垂线(140、150m)和3条垂线(120、140、150m)的总体相关性均较好，选作岫岩站垂线精简方案进行对比分析。图2为选取的冰峪沟站不同起点距各垂线测定流速和断面平均流速之间的相关性，从各垂线的相关分析结果可以看出，各单条垂线流速和断面平均流速的相关性也均较好，各垂线相关系数均在0.5769～0.9393之间，且起点距对冰峪沟站垂线测定流速和断面平均流速之间相关系数影响也较低。在冰峪沟站各垂线中，选择相关性较好的2条垂线(100、140m)和3条垂线(100、130、140m)的总体相关性均较好，选作冰峪沟站垂线精简方案进行对比分析。

3.4 新精简算法垂线流速相关性分析结果

在2个站点各单条垂线断面平均流速与垂线流速相关性分析的基础上，按照选取的垂线精简方案，分别进行2和3条测验垂线精简，并对垂线精简后的测定流速和断面平均流速的相关性进行分析，各站点分析结果如图3—4所示。

表1 垂线精简精度评定要求

图1 常规测流方法下岫岩站各垂线测定流速和断面平均流速的相关性分析结果

图2 常规测流方法下冰峪沟站各垂线测定流速和断面平均流速的相关性分析结果

图3 岫岩站测验垂线精简后的断面平均流速和垂线测流流速相关性分析结果

图4 冰峪沟站测验垂线精简后的断面平均流速和垂线测流流速相关性分析结果

从图3中可看出，鞍山岫岩站采用2条垂线进行流速测定后，断面平均流速和垂线流速之间的相关系数可达到0.9052，属于高度相关，且均高于起点距，分别为140、150m的单条垂线下测定流速和断面平均流速的相关性。可见采用2条垂线进行测验方案精简后，其测定流速能满足精度要求。采用3条垂线后其相关系数可达到0.9782，属于高度相关，可见采用3条垂线进行方案精简后，鞍山岫岩站测定的流速同样可以满足水文测验的精度要求。图4为大连冰峪沟站垂线精简分析结果，从图中可以看出，采用2条垂线进行流速测定后，断面平均流速和垂线流速之间的相关系数可达到0.9202，也属于高度相关，且均高于起点距，分别为100和140m的单条垂线下测定流速和断面平均流速的相关性。可见冰峪沟站采用2条垂线进行测验方案精简后，其测定流速也能满足精度要求。采用3条垂线后其相关系数可达到0.9251，属于高度相关，可见采用3条垂线进行方案精简后，大连冰峪沟站其测定的流速同样可以满足水文测验的精度要求。

3.5 新的精简算法流量误差分析结果

分别采用2个水文测站垂线精简方案后算得的流量与精测流量相比，其误差符合规定时，即可用垂线的测点流速来代替断面流速的方法测流，并作为常测方法。分别结合16份实测流量数据按新测法重新计算流量，统计精简前后数值的相对误差是否超过允许范围，从而确定精简结果。各站点2和3条垂线精简方案的误差分析结果见表2—5。

表2 岫岩站2条垂线精简方案的测流误差分析

表3 冰峪沟站2条垂线精简方案的测流误差分析

表4 岫岩站3条垂线精简方案的测流误差分析

表5 冰峪沟站3条垂线精简方案下的测流误差分析

选取的2个水文站均为3类精度站点，按照GB50179—2015对3类精度站点流量允许误差的要求，采用2和3条垂线进行测验方案精简后，其流量误差均可满足允许误差5%的要求，从表中还可以看出，采用2条垂线进行方案精简时，各站点对比观测误差均值为±2.18%，而采用3条垂线进行精简，2个站点对比观测误差均值为±1.61%，3条垂线精简方案的精度要好于2条垂线精简方案的测定精度，但2者精简方式均可满足流量测验允许的误差要求。