汭河袁家庵站测验方式优化可行性分析

蒙雅雯 崔建和

(黄河水利委员会西峰水文水资源勘测局， 甘肃 庆阳 745000)

长期在站驻测是水文监测延续了几十年的传统模式。随着社会发展、技术进步以及先进测报仪器的应用，这种模式在一些偏远测站已不适应。这些测站经过多年大量的资料积累，人们对测站特性更加了解。通过对测站特性的分析，采用现代化的测报技术，为水位、雨量、蒸发的数据采集和自动传输，流量、泥沙的自动化或半自动化监测，提高测站现代化水平等提供了技术支持。适时开展测验方式优化分析工作，在条件具备的测站采用现代化的测报技术，从而逐步实现水文资料的自动采集和传输。水文站测验方式优化的目的是提高水文监测工作效率，为最终实现水文信息自动化监测夯实基础。牛亚豪[1]研究认为人类活动对天然河道的水沙特性造成了极大的破坏，导致水文要素急剧变化，测验条件变差，工作量逐年增加，水文测验工作在未来会向在线化、应急化、现代化方向发展。田峰等[2]从测站建设、巡测方式、测验手段、技术支撑等多方面进行了分析探讨，对水文巡测方案进行了优化，收到很好的效果。陈晨等[3]首次将无人机测流系统应用于黑龙江中游的流量监测上，对无人机测验系统在使用过程中常见问题进行了细致的分析,并提出相应的解决方法，对无人机测流的使用起到一定的推动作用。邱洋[4]对流量测验垂线进行多次试验精简，通过实践证明，三条垂线可以控制整个断面的流量，精简方式下的流量测验精度可满足水文测验规范要求，以此寻求测验方式改革，研究结果对同类水文站在测压方式改革方面具有很好的参考价值。随着社会经济的发展，水文测站巡测势在必行，测验方式改革是一种必然形势。最近几年，大量学者[5-12]对水文巡测、测验方式等进行了大量研究与优化，旨在解放人力、减少投入成本、提高生产效率。但在水文巡测实践中，发现大量存在的问题。王颖[13]认为如何解决好这些潜在的问题，将是水文巡测能否成功的关键。而测验方式的优化是水文测站能否巡测的基础与技术支持，在巡测前开展测验方式的优化是重中之重。在西北内陆中小河流上寻求测验方式优化办法同样存在诸多问题，如何解决好这些问题，需要更进一步的分析，翻阅大量文献[14-18]发现，针对西北干旱区中小河流水文巡测方面的研究较少。本文对汭河袁家庵站的实测资料进行分析，在前述学者研究的基础上，对该站测验方式进行优化，提出新的测验方案，为今后水文巡测做铺垫，同时研究成果也可作为同类站在测验方式改革方面的数据支撑。

1 基本概况

1.1 测站概况

袁家庵站位于甘肃省平凉市泾川县城关镇延丰村，位于黄河流域泾河水系一级支流汭河下游[19-24]，为流量测验三类精度站，集水面积1658km2，地理坐标为东经107°20′35″，北纬35°19′30″，至河口距离1.8km。测验河段顺直长约600m，右岸为混凝土护岸，左岸为砂石土坡，中高水控制较好。河床由卵石淤泥组成，有冲淤变化。基下265m处有一弯道，基下1110m的右岸有支流何子沟汇入，基下1501m处有汭河大桥，基下1805m处是泾汭河汇合口，泾河发生大洪水时有回水顶托影响。基下1385m处有一座橡胶坝，对测验河段水流影响较小。

1.2 水沙特性

洪水主要来源于汭河安口以上，区间来水较少。水系形状窄长，属山溪性河流，纵比降较大，暴雨洪水汇流快，流域内植被较好。洪水过程均为暴雨形成，多发生在7—8月。多年平均7—10月径流量占年径流量的61.3%，90.3%的泥沙来自6—9月。洪水涨落急剧且漂浮物较多，沙峰滞后于水峰，中高水受河槽控制，断面有冲淤。水位流量关系曲线主要受冲淤影响，较为复杂。

含沙量横向分布均匀，垂向变化很小近似直线。单断沙关系为历年综合线，系数为1.00。多年平均径流量为1.761亿m3，其中5—10月径流量占年径流量的74.8%；近12年平均输沙量为94.65万t，其中7—9月输沙量占年量的95.9%，选取2009—2020年含沙量资料统计进行年内分配计算，见表1。

表1 多年平均水沙量年内分配

2 资料及研究方法

根据《水文站网规划技术导则》(SL 34—2013)[25]要求，选用该站2009年迁站以来至2020年期间发生的洪水实测资料。对选定的流量资料进行一致性分析，保证集水区域内下垫面、人类活动对河道断面的影响、测站控制条件等基本一致。同时，进行流量资料可靠性分析，所使用资料均为经过水文资料整编刊印的资料，资料系列12年，具有一定的代表性。对该站测验设施设备现状、水位流量关系规律、单断沙关系进行分析，找到水文规律、符合规范优化条件的测验项目采用优化测验方式，对无条件的测验项目以配备先进仪器方式改进测验工作，制定优化测验实施方案。

3 测验方式优化研究

3.1 水位划分

该站历年最高水位1030.84m，最低水位1027.15m。最大流量750m3/s。按历年最高、最低水位差作为计算变幅，按《水文站网规划技术导则》(SL 34—2013)[25]规定，最高水位以下历年实测最大水位变幅25%以上为高水位，最低水位以上历年实测水位变幅25%以下为低水位级，其余的为中水位级。可以划分为：高水：H≥1029.92m ；中水：1028.07m≤H≤1029.92m；低水：H≤1028.07m。

3.2 断面冲淤变化分析

根据该站历年实测大断面资料点绘断面图，见图1。计算其同水位(1029.00m)的面积及平均河底高程，见表2。可以看出，2012年、2019年、2020年左岸变化较大。经调查知，2012年是受修建河堤影响，2019年是受修建河堤及基下260m滨河路向河道内拓宽影响，2020年是受工程建设后续影响所致。历年同水位面积最大为98.2m2，最小为56.4m2，最大变幅为41.8m2；历年平均河底高程最高为1028.44m，最低为1027.62m，最大变幅为0.82m。由此可见，该站大断面年际冲淤变化较小。

图1 历年实测大断面套绘图

表2 历年同水位面积及平均河底高程变化

3.3 洪水期水位流量关系分析

收集该站2009年以来实测流量资料，点绘历年洪水期水位流量关系曲线，见图2，从图中可以看出历年洪水期水位流量关系呈现一个较宽的带状范围。因此，经过多次绘图和检验比较，将该站洪水期水位流量关系确定为四条线比较合理。

图2 历年洪水期综合水位流量关系曲线

3.4 水位流量关系误差分析

依据《水文资料整编规范》(SL/T 247—2020)[26]对该站历年洪水期综合水位流量关系曲线1、2、3、4号线分别进行符号检验、适线检验、偏离数值检验、不确定度计算。结果如下。

3.4.1 符号检验

对1、2、3、4号水位流量关系曲线符号进行检验计算，计算结果分别是：μ1=0.417，查得μ11-α/2=1.15，μ1<μ11-α/2；μ2=0.676，查得μ21-α/2=1.15，μ2<μ21-α/2；μ3=1.078，查得μ31-α/2=1.15，μ3<μ31-α/2；μ4=0.204，查得μ41-α/2=1.15，μ4<μ41-α/2。从以上检验结果可以看出，水位流量关系两侧点数分配均衡合理，关系曲线符号检验合格。

3.4.2 适线检验

对1、2、3、4号线分别进行适线检验计算，变换符号次数分别为：k=17≥0.5×(23-1)，k=24≥0.5(35-1)，k=16≥0.5×(31-1)，u2=0，查得μ2(1×α)=1.28，μ2<μ2(1-a)，则不做此项检验，说明定线无明显系统偏离，关系曲线适线检验合格。

3.4.3 偏离数值检验

对1、2、3、4号线进行偏离数值检验，检验结果分别为：t1=1.073，a=0.20；t2=1.156，a=0.20；t3=0.931，a=0.20；t4=0.931，a=0.20。查表得：t11-α/2=1.31，t1

3.4.4 不确定度计算

该站历年洪水期综合水位流量关系曲线1、2、3、4号线三项检验均符合要求，对曲线分别进行系统误差、标准差、不确定度统计，各项限差符合《水文资料整编规范》(SL/T 247—2020)要求。检验结果见表3。

表3 历年洪水期综合水位流量关系曲线误差统计

3.4.5 检验结论

根据《水文巡测规范》(SL 195—2015)[27]中定线允许系统误差不超过±2%、不确定度小于20%的规定，袁家庵站历年洪水期综合水位流量关系曲线系统误差、不确定度均在允许范围之内。历年洪水期综合水位流量关系曲线符号检验、适线检验、偏离数值检验均符合要求。结果说明：该站历年洪水期综合水位流量关系曲线符合规范要求，可以应用于生产实际。

3.5 非洪水畅流期水位流量关系分析

非洪水畅流期主要包括洪水期和凌汛期(定日型测流期间)以外的平水期及流量在20.0m3/s以下的时期。从每年平水期或者一次洪峰过程流量小于20.0m3/s的实测流量中摘取实测点，点绘水位流量关系图(见图3)。

图3 非洪水期水位流量关系

从图3分析，非洪水畅流期低水水位流量关系散乱，无法定综合单一线，根据低水实测点的走势及点带分布宽度将其概化为5条线。

3.6 泥沙测验优化分析

袁家庵站没有输沙率测验项目，仅有单沙测验，故未作单断沙关系分析。该站多年输沙量年内分配见表4。该站多年平均输沙量为335.7万t，其中7—8月输沙量占年量的84.2%，7—9月输沙量占年量的95.9%。根据《水文站网规划技术导则》(SL 34—2013)要求：“实行巡测的二、三类精度的泥沙(流量)站，当每年低、枯水期和汛期的平水期输沙量小于多年平均输沙量的5%时，可以停测泥沙，停测期间的含沙量作零处理。”据此，每年的1—6月、10—12月均可停测单沙。

表4 多年平均输沙量年内分配

4 测验方式优化实施方案

4.1 流量测验

1—3月和11—12月，仍按规定采用定日型测流；4—10月测验停测流量，通过水位观测，洪水期Q>20.0m3/s时选用历年洪水期综合水位流量关系线推流报汛或整编；畅流期Q≤20m3/s时利用非洪水畅流期概化水位流量关系线推流。非洪水畅流期水位流量关系概化为5条线。在平水期或洪水落平到20m3/s以下实测一次流量，点绘在概化线上，若此实测点接近于某条概化线，则使用该线推流，当实测流量关系点位于两线之间，距每条线的相对差达到10%时，则采用内插曲线推流。除定日型测流时段外，任意两次实测流量的时间间隔不超过50天，推流应选用历年综合水位流量关系查算表。

4.2 泥沙测验

该站仅测单沙，以近似法推算断沙。实测时段为每年的4—10月，优化后方案可以改为每年的7—9月实测单沙，其他月份停测，停测月份按0处理。如果停测月份出现明显沙峰及含沙量过程，应实测单沙。建议有条件时，可逐步实现在线监测。

5 结论与建议

对袁家庵站的测验项目进行优化分析后，主要得出以下结论：

a.该站断面冲淤变化较小，历年平均河底高程最大变幅为0.82m，基本稳定。

b.该站洪水期为4个系列的单一曲线，非洪水畅流期概化为5个系列的单一曲线。1—3月和11—12月，仍按规定采用定日型测流；4—10月测验停测流量；洪水期Q>20.0m3/s时采用洪水期综合水位流量关系线推流报汛或整编；畅流期Q≤20m3/s时利用非洪水畅流期概化水位流量关系线推流。在平水期或洪水落平到20m3/s以下实测一次流量，若此实测点接近于某条概化线，则使用该线推流，当实测流量关系点位于两线之间，距每条线的相对差达到10%时，则采用内插曲线推流。

c.每年的7—9月实测单沙，其他月份停测，停测月份按0处理。如果停测月份出现明显沙峰及含沙量过程，应实测单沙。建议有条件时，可逐步实现在线监测。

d.当预计可能发生大于700m3/s以上洪水时，建议及时恢复流量测验，补充高水测点。