临溪水文站缆道流速仪法流量简测分析研究

胡中南

(安徽省黄山水文水资源局，安徽 黄山 245000)

水文测验是所有水文工作的前提和基础，水文预报、水文分析等都由水文测验提供相应的水文数据。随着经济的发展及科技的进步，近几年水文工作有了较大的变化，但相比水位、降雨观测，流量测验的复杂性使其在自动测报技术中的发展仍然相对落后。黄山水文水资源局近几年在三阳坑(梅溪)站、屯溪站及渔梁站等开展了雷达波在线测流，但因测验环境复杂多变、中高水流量实测难度较大等因素影响，雷达波水面系数还在进一步率定及完善中。开展雷达波在线测流是水文站流量自动测报的重要探索与研究，是后续流量测验工作的发展方向，但基于当前环境，其稳定性和可靠性还需进一步提高。

当前，缆道流速仪法测流仍是国内流量测验的主要手段。各水文站在多垂线的基础上经过垂线精简分析保留了部分垂线，并以此通过部分流量加权法计算全断面的流量。此方法施测的流量精度虽能保证，但测验过程耗时较多，尤其在皖南山区洪水陡涨陡落的特点下，削减了流量数据的瞬时特性，也因铅鱼长时间处于入水状态给测验带来安全隐患。因此，在常规测验的基础上，探索研究缆道流速仪法流量简测方法，对于应对洪水期尤其是中高水测验十分重要。本文以临溪水文站近几年缆道流速仪实测流量数据为载体，分析探索流量简测方法，并进行误差分析，结果表明测流结果符合相关要求，据此提出临溪站缆道流速仪法流量简测方案及相关计算方法。

1 测站概况

1.1 基本情况

临溪水文站建于1987年7月，位于安徽省绩溪县临溪镇临溪村，属钱塘江流域新安江水系杨之水，流域面积585km2，流域坡度为51.6dm/km2，流域形状系数为0.283，是皖南山区500～1000km2代表站、二类精度站。临溪站冻结基面与85基准较差值为127.496m。测站测验河段顺直，河槽近似矩形，河床主要由卵石及岩石组成。断面上游360m处为杨之水与登源河交汇口，断面中泓位置视两河来水量大小不同而改变，断面下游400m处有大弯道，对中高水起控制作用，水位-流量关系较为稳定。

1.2 水位级划分

临溪站水位级的划分依据《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)第4章第4节规定，针对二、三类精度水文站，水位级的划分采用典型年法，划分结果见表1。

表1 临溪站水位级划分情况 单位：m

2 现状测验情况

2.1 测验河段河床变化情况

临溪站测验断面附近河段因公路建设、河道采砂频繁、汛期洪水冲刷，河床大部分位置已至基岩，河床相对稳定，近几年无较大变化。2017年绩溪县水利局在测验断面右岸上下游修建了几百米长的浆砌块石挡墙，使断面发生一定变化。多重因素造就的断面变化对低枯水期有一些影响，但对中高水水位-流量关系影响不大。

2.2 测速垂线布设情况

缆道流速仪常测法采用9条测速垂线，垂线相对固定，布设情况见表2。常测法垂线布设符合《河流流量测验规范》(GB 50179—2015)的规定，大断面及垂线分布见图1。

表2 缆道流速仪断面测速垂线布设情况

图1 临溪站大断面及测速垂线分布情况

3 流量简测分析

3.1 分析目的及范围

简测分析的目的是为了在保证测验精度的同时，以更短的时间、更安全的方式测得全断面流量，保证流量数据的瞬时特性，为防汛抗洪抢险赢得宝贵时间。因此，本次分析的范围根据水位级划分确定为低、中、高水部分，具体水位变幅为1.90m及以上。

3.2 分析方案

3.2.1 分析路线

临溪站缆道设计测洪能力为7.50m，但实际测验中因为流速大及漂浮物多等不利因素，导致水位达5.00m左右时，尤其在涨水时段，缆道流速仪很难再以0.6测法施测，视水流情况改为全断面0.0测法，因此该分析根据垂线流速测法分为0.6和0.0两条线路进行，分别命名为线路1和线路2。

3.2.2 分析资料选用情况

a.线路1：根据上述测验河段河床变化情况，选用2017—2020年资料分析范围内缆道流速仪0.6测法所有流量测次，共计81次，实测水位变幅为1.92～5.39m，实测流量变幅为60.2～969.0m3/s。

b.线路2：2017—2020年缆道流速仪0.0测法测次较少，仅有13次，因断面变化对中高水影响较小，且较近年份2013年也发生了较大洪水，故分析资料加入2013年5次水面0.0测法流量测次，共计18次，实测水位变幅为4.80～7.36m，实测流量变幅为706.0～1720.0m3/s。

3.2.3 分析方法

常测法全断面流量为部分流量加权所得，测流时需逐次施测各垂线流速，然后分别计算部分流速、部分面积，最后得出部分流量。常测法测速垂线较多，测验及计算过程较为复杂。本次简测分析的思路是以计算的常测法垂线中较少几条垂线的算术平均流速，代表断面的平均流速，然后与断面面积直接相乘得出全断面的流量，探求该计算流量与实测流量间的相关关系，具体分析步骤如下：

b.按相同的组合方式，将各个样本计算所得的Q计算与相对应的实测流量Q实点汇Q计算-Q实关系图，建立同组合计算流量与实测流量两者之间的相关关系。

c.根据建立的Q计算-Q实相关关系，按照相关关系公式计算各组合方式下Q计算换算的相对应的流量Q′。

d.计算各组合方式各样本Q′与相对应Q实之间的相对误差，相对误差计算公式为

δ=(Q′-Q实)/Q实×100%

e.分析并统计所有样本换算流量Q′与实测流量Q实的相对误差值，根据规范，相对误差小于5%为合格。

f.当某种组合方式下，各样本相关关系计算的Q′与相对应Q实之间的相对误差均小于规定误差5%时停止计算，得出最优垂线组合方式。

线路2因为垂线流速为水面0.0测法，其全断面实流量最终结果引入了水面流速系数，故为排除引入水面系数所带来的计算误差，本次线路2分析不引入水面系数，只分析计算的虚流量与水面0.0实测虚流量之间的相关关系，实际测验中在分析结果上根据计算的虚流量再加入水面系数即可。

3.3 计算结果与分析

因此，n=3时，两条线路的最优垂线组合方式(30m，50m，70m)已经能够满足流量简测需要，无须再继续分析计算。为满足流量简测的需要，且最大限度地保障测验的精度，从测验开展的方便性出发，两条线路分析结果均选取(30m，50m，70m)的垂线组合方式。线路1、线路2相关关系见图2、图3。

图2 线路1相关关系

图3 线路2相关关系

3.4 分析结果复核计算

临溪站2021年水位1.90m以上缆道流速仪法共测流4次，其中0.6测法3次，0.0测法1次，依据上述分析结果进行流量复核计算，各复核样本误差均满足规范要求，成果见表3。

表3 复核计算成果

4 结 语

通过上述临溪站缆道流速仪法流量简测分析研究可知，两条线路简测分析代表垂线均为(30m，50m，70m)的组合，相关关系分别为

Q′=0.87Q计算+5.74

(1)

Q′=0.74Q计算+134

(2)

即水位在1.90m以上开展0.6(30m，50m，70m)3垂线简测时，用式(1)计算全断面流量；水位在5.00m左右及以上开展0.0(30m，50m，70m)3垂线简测时，用式(2)计算全断面虚流量，相关关系可在分析范围内适当上延运用。两条线路简测分析的代表垂线一致，说明全断面代表垂线与水位级、测法等无关，只与垂线位置有关，这3条垂线代表了断面流速的分布特点。

本次简测分析线路2受限于样本数目，建议后续在常规测验的基础上增加分析样本，进一步完善分析结果。两条线路包含的分析范围已足够满足简测需要，建议临溪站在中高水期间，尤其是漂浮物较多、洪水变幅较大等不利时期，根据分析结果多开展流量简测，为快速开展防汛抢险提供较为精确的流量数据。