沭阳水文站南偏泓测流断面流量测速垂线精简分析

周春煦 刘 昊 王 露

(1.江苏航运职业技术学院，江苏 南通 226010;2.江苏省水文水资源勘测局宿迁分局，江苏 宿迁 223800)

1 引 言

流量是指单位时间内通过某一过水断面的水体体积，是河流十分重要的水文特征，是反映水库、湖泊以及河水等水量变化的重要因素，也是测验河段最为重要的水文要素。流量测验的方法非常多，常用的方法包括流速面积法、水力学法、化学法、直接法等。其中化学法和直接法直接适用于小流量测流，水力学法相对简单，通过测定水位和率定好的流量系数(水位流量关系),计算出流量,适合实测和在线监测;物理法是利用声、光、电、磁等物理学原理测定流量,有超声波法、电磁法和光学法。物理法有以下优点:仪器不干扰原来的水流结构，可以快速、连续地测流，操作安全。流速面积法是最基本、最常用的一种测流方法,由测量的流速乘以测算的过水断面面积得到。由于江河水文站受到多种因素的影响导致其流量变化日益复杂，为更好地分析江河流量变化情况，我国水文领域采用了多元化的方法对流量资料加以分析。近年来，我国水文领域将研究重心放在了如何在符合规范的前提下，更快速、更准确地对水文资料进行获取。本文以沭阳水文站为研究对象，对其南偏泓测流断面流量测速垂线进行精简分析，以加强此方面的深入研究。

2 概 述

2.1 测站概况

沐阳水文站建于1950年7月，该站位于新沂河腰部，地处江苏省沭阳县北京南路，地理位置为东经118°45′43.4″，北纬34°08′37.0″，距嶂山闸43km，集水面积495.97km2。多年平均降水量为918.0mm，其中最大降水量为1974年的1330mm，最小降水量为1978年的531.9mm，最大年蒸发量为1966年的1544.6mm，最小年蒸发量为2003年的673.2mm。该站连续观测至今，为汛期水文站，河床为两合土，流速仪测流断面设在新沂河大桥下游510m处，河宽1282m。水位流量关系主要和洪水涨落有关，呈逆时针绳套形。该站所使用的基面为废黄河口基面，实测最高水位为10.76m，发生于1974年8月16日，最大流量6900m3/s，为历史最大值。

2.2 测验河段特征

该站位于距嶂山闸(起点)43km处，测验河断顺直，断面稳定。流速仪测流断面设置在新沂大桥下游510m处，河宽1287.5m，属于典型的双复式断面。2007年进行整治，2008年底整治工程正式结束，北偏泓河槽拓宽至190m，南偏泓河槽拓宽至280m。沭阳站以上包括淮沭新河、老沭河等多条支流，两岸分别建有盐河南、北闸以及小潮河闸等。图1为沭阳水文站流速仪测流断面，图2为沭阳水文站南泓断面测深、测速垂线分布。

图1 2013—2018年新沂河沭阳水文站流速仪测流断面

图2 沭阳水文站南泓断面测深、测速垂线布设

3 测验方法及资料选择

根据《水位观测标准》(GB/T 50138—2010)、《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)和《水文测验实用手册》的技术规定，采用该站2017年6—9月南偏泓测验数据进行分析。考虑到资料存在不确定因素，在率定前对所有比测资料进行合理性检查，选择河道水流较为稳定时期的比测资料作为样本参与单断速关系率定，样本数应大于30。根据上述原则完成筛选，最终明确参与本次单断速关系率定采用的样本数为216次，控制水位不大于8.50m。

3.1 测站概况

本次分析采用新沂河沭阳水文站2017年6—9月南偏泓测验数据进行相关分析，考虑到比测资料的不确定因素，率定前，对全部比测资料进行合理性检查，选取河道水流较为稳定时期的比测资料作为样本参与单断速关系率定。在测验过程中，对影响测流精度的测次资料予以弃用。参与率定的测次样本数应大于30，以便确定最适宜的垂线和检测流速的换算图表或系数，并尽可能涵盖断面平均流速变化范围。根据上述原则进行筛选后，确定参与本次单断速关系率定所采用的样本数为216次，控制水位为不大于8.50m。

3.2 计算分析方法

在控制水位以下范围内的测速垂线中，选定主流及其附近的一条或几条测速垂线，摘录出实测流速，采用试算法多次计算不同垂线单位流速组合，根据计算出的垂线单位流速(算术平均)，见式(1)，和每测次的断面平均流速，通过点绘关系线图，定出两者的换算系数K，见式(2)，并优选精度较高的相关系数。

(1)

式中vc——垂线单位流速,m/s；

v′c——不同垂线单位流速,m/s；

n——垂线数量。

vd=Kvc

(2)

式中vd——断面平均流速,m/s；

K——断面平均流速转换系数。

4 垂线精简分析

4.1 断面稳定性分析

根据2013—2018年以来测站大断面的测量成果，控制水位8.50m所对应的过水面积分别为785m2、785m2、789m2、787m2、786m2、784m2。计算结果表明：沭阳水文站水位和面积关系点的偏离曲线均符合《河道流量测验规范》(GB 50179—2015)第3.1.4条的规定，这证明沭阳水文站测流断面南偏泓河床稳定，河道部分冲淤不大，基本稳定。

4.2 精简测速垂线的原因及方法选择

界首站当前常用流量测验方法为缆道流速仪法，采用一点法施测。测流时受到上下游大桥以及两端障碍物的影响，存在不能及时观察上下游来往船只情况的问题。在测流的过程中，从避让船只到恢复测流需要花费双倍的缆道运行时间，而且容易出现避让不及的情况。为了减少缆道测流设备在主航道停留的时间，缩短测流历时，减少测流过程中的安全隐患，对主航道内测速垂线进行精简十分必要。界首站缆道流速仪法流量测验为全断面测量，保留现有测深垂线不影响施测过程和施测时长。沭阳水文站目前常用流量测验方法为电动水文缆道、LS68型流速仪法，采用一点法进行施测。在南泓河槽起点距1110.0～1170.0m之间，总共设置8条测深、测速垂线。对相对水深0.6m处进行垂线流速施测，测点测速历时60s，洪水期抢测洪峰时适时缩短至30s，水深采用借用水深。一般常测法测流历时20～60min，采取连时序法或连实测流量过程法进行推流。为减少缆道测流设备所停留的时间，缩短测流历时，减少测流过程中的安全隐患，对测速垂线进行精简十分必要。采取瓶式采样器，在基本水尺断面上510m处，采取水边一线水面一点法进行取样，当基本断面低于8.50m时，分别在南、北泓基本断面起点距1170m、120m的测速垂线处取单沙水样，高水期含沙量取样共布设14条取样垂线，采取实测单沙过程法加以推测。

4.3 精简前后断面流量相关关系分析

以2017年6—9月共计216次实测流量数据为依据，精简起点距1110.0m处测速垂线，保留其测深垂线，计算精简后断面流量。结合实测流量计算中采用借用断面的不同，以断面平均流速作为依据，筛选出的控制水位下精度较高的测次样本数已大于30项，符合规范，根据所取的比测数据共216次合并定线，得到线性关系图(见图3)，在不考虑借用断面影响的情况下，精简起点距1020.0m处测速垂线并保留其测深垂线，精简前后，断面流量之间的线性关系良好，相关关系式为vd=0.91vc，确定性系数R2为0.9953，拟合度很高，且拟合效果极好。

图3 新沂河沭阳水文站单断速关系线

4.4 误差分析

由图3可知，精简前后，断面流量线性关系非常好。R2为0.9953，趋近于1，关系式趋近于y=x，为便于实际计算，精简后断面流量系数定为1.00。将精简前断面流量与精简后断面流量进行误差分析(见图4)，系统误差为-0.20%，累计频率75%以上的误差为4%。累计频率95%以上的误差为7%，符合误差限界规定，本方案可行。

图4 沭阳水文站南偏泓测流断面流量和精简后断面流量误差分析

5 结论与建议

5.1 结论

通过对新沂河沭阳水文站南偏泓断面平均流速和垂线单位流速测验数据进行合理性分析并进行率定，得到单断速关系系数为0.91。本次比测及资料分析符合规范要求，单断速关系率定成果合理，定线精度符合规范限界要求，单断速关系可在控制水位8.50m以下范围内作为流速仪法测验的常用测洪方法，超出此范围采用常测法测验。采用简测法时通过施测起点距1110.0m、1170.0m两条垂线平均流速后计算得出垂线单位流速，乘以相关系数推求断面平均流速，建立水位-面积关系曲线，根据测时水位查算断面面积，乘以断面平均流速得出断面流量。

5.2 建议

a.在日常工作中要强化基础数据的收集，根据规范相关要求对已经建立的单断速关系进行检定。

b.如果水位超过8.50m，则依然采取原有的测洪方案对断面流量进行实测。为了确保成果准确，在完成声学多普勒流速剖面仪(V-ADCP)设备安装调试后，加强数据样本收集，对单断速关系精度加以检定，将成果投入运行。