冰峪沟水文测站流速测验垂线精简分析研究

邱 洋

(辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015)

1 测站概况

冰峪沟水文站位大连市庄河市仙人洞镇英那河村，E122°59′，N40°00′，集水面积240km2，区域代表站，英那河发源于鞍山市岫岩县龙潭乡老北沟，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，基上约10m处有一小河沟、汛期有水汇入，基下约1000m处有一急弯，基上约700m处是冰峪沟旅游区一拦河水坝，高水时水由坝上跑，低水时由拦河坝闸门放水，有时旅游区圈水，拦河坝下游断面河干，河底由中、小型河卵石组成，河床左岸为岩石，右岸草皮及小柳树。冲淤变化不大， 历年水位流量关系较为稳定。近些年来，冰峪沟水文站发生洪水的频次较高，尤其是在7月下旬和8月上旬，是冰峪沟水文站洪水较为集中的时期[1]。在防汛关键期，水文测验的时效性是保障防洪决策科学性和精准性的重要基础[2]。水文测验规范当水面宽度与平均水深之间的比值即为宽深比<100m时，需要布设10-14条测速垂线[3]。按照水文测验规范要求，冰峪沟水文站需要布设10条测速垂线进行一次流量测验，一次流量测验的时间一般约为50min[3]。在常规水文测验时，按照10条测速垂线进行水文测验一般操作性较强，但是在应急突发洪水水文测验时，这样传统的测流时间很难满足防洪决策时效性的要求[4]。冰峪沟水文站断面变化总体较为问题，需要对其测速垂线进行精简分析，通过精简其测速垂线的数目，提高冰峪沟水文站测流的时效性。当前，测速垂线的精简分析在国内许多河流得到研究[6-10]。各项研究成果均表明测速垂线精简后可满足水文测验规范要求并显著提高其测验效率，并降低水文测验人员的劳动强度，基于上述原因，文章从水文测验效率实际工作角度出发，以冰峪沟水文站测速垂线进行精简方案的分析，通过对该水文站测速垂线精简方法分析的成果，指导其他区域水文站测速垂线的精简分析，提高水文测验的时效性。

2 冰峪沟站宽深比分析

选取冰峪沟站2019年的22份流量测验数据，按照《河流流量测验规范》 (GB 50179-2015)规定对22份流量测验数据进行了冰峪沟水文站测验断面平均水深以及水面宽度进行计算，对其流量测验时的宽深比进行分析，通过22份流量测验数据的宽深比分析，其宽深比值在51.2-81.3之间，通过对实测流量时的宽深比进行分析，冰峪沟水文站水面水面宽度在73.1-91.7m之间，水面宽度与平均水深之间的比值在51.2-81.3之间，属于窄深型河道。

3 精简方案

3.1 传统测速垂线数目要求

《水文测验手册》要求当水面平均水深与水面宽度的比值<100时，为窄深型河道。冰峪沟水文站测验断面的平均水面宽度与平均水深的比重范围在51.2-81.3之间，按照《水文测验手册》要求冰峪沟水文站在宽深比范围之内需要设置的测速垂线的数目需要达到10-14条。

3.2 传统测速垂线下断面平均流速和垂线平均流速相关性分析

根据《水文测验手册》常测法的垂线﹑测点综合精简的分析的要求，结合本站的断面情况，如上图所示：垂线流速横向分布变化趋势，采用起点距为：69m、76.1m、86.4m、95m、101.6m、108.8m、115m、119.3m、128.5m、130m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。 各起点距下断面平均流速与各条垂线平均流速之间的相关图，见图1。

从各起点距下垂线平均流速和断面平均流速的相关分析结果可看成，各条垂线下断面平均流速和垂线平均流速之间的相关系数均在0.9以上，可见各条垂线的断面平均流速和垂线平均流速之间具有较好的相关性。这主要是因为冰峪沟水文站底由中、小型河卵石组成，河床左岸为岩石，右岸草皮及小柳树。冲淤变化不大， 历年水位流量关系较为稳定，而稳定的水位流量关系使得各条垂线的平均流速变化较为稳定，因此各起点距下断面垂线平均流速和断面平均流速之间具有较好的相关性，因此可以采用精简测速垂线的条数来满足其水文测验的需要，从而降低水文测验的劳动强度，提高测流的时效性。

3.3 精简分析

从各起点距下断面平均流速与各垂线平均流速相关图中，选择相关系数最高的两条条测速垂线，两条相关系数的最高的测速垂线起点距分别为95m和115m，并以这两条的垂线平均流速的平均值作为横坐标，以断面平均流速为纵坐标，绘制这两条垂线下的断面平均流速和垂线平均流速的相关图。 此外在各起点距的断面平均流速与各条垂线平均流速相关图中，选择相关系数较高的3条垂线，各垂线起点距分别为95m、101.6m以及115m，对这3条测速垂线的垂线平均流速取平均值，建立该3条垂线测速平均值和断面平均流速之间的相关图。不同精简方案下的垂线平均流速和断面平均流速的相关性分析结果，见图2。

图2 不同精简方案下的垂线平均流速和断面平均流速的相关性分析结果

从2条垂线平均流水和断面平均流速可知，其相关系数可以达到0.9052，虽然相比于单条垂线下相关系数有所减小，但是按照水文测验规范要求，其依然可以满足水文测验的精度要求，从3条垂线的相关系数可看成其相关系数为0.9782，相比于两条垂线其相关系数也有所增加。

3.3.1 精简误差分析

在垂线精简方法分析的基础上，按照水文测验规范要求，分别对两种垂线精简方案下的误差进行分析，具体分析为将两种测速垂线精简方案下的流速推求值，和断面面积进行相乘得到精简后的流量，将传统布设10条测速垂线方案下推求的流量和精简方案后的流量进行对比分析，若流量对比误差满足水文测验规范要求，则可采用精简的测速垂线方法进行水文测验作为冰峪沟水文站水文测验的常规测流方式。起点距分别为95m和115m，以及起点距分别为95m、101.6m以及115m两种测验精简方案下测验误差分析结果，两垂线精简方案下的误差分析结果，见表1；三垂线精简方案下的误差分析结果，见表2。

表1 两垂线精简方案下的误差分析结果

续表1 两垂线精简方案下的误差分析结果

表2 三垂线精简方案下的误差分析结果

从冰峪沟水文站两种测速垂线精简方案分析结果可看出，采用3条测速垂线精简方案下的垂线平均流速对断面平均流速进行代替后期流量对比误差值最小。通过对误差累计频率的分析，当各种测速垂线精简方案下流量对比累计误差达到50%则表明精简方案存在系统误差，通过对两种精简方法下的系统误差进行了分析，冰峪沟站两种测速垂线精简方案下的系统误差均<2%，满足水文测验规范要求的误差界限范围内，采用的精简方案满足测验要求，可以用来进行常规测流分析。

3.3.2 结论

1)冰峪沟站可选用起点距分别为为95m、101.6m以及115m的3条测速垂线作为该站点常规水文测验的测速垂线精简方案，经误差分析，可满足水文测验的误差界限范围要求；

2)精简方案下需要保持断面的稳定，因此当测验断面冲淤变化较大时，还需要加密测速垂线的数目，从而保证测验的精度。