讨赖河嘉峪关(闸下)站的流量监测分析

收稿日期：2023-12-10

作者简介：刘宏刚（1973—），男，甘肃张掖人，工程师，主要从事水文资料审核、整编、水资源评价等工作。

摘 要：在特殊水流运动和河段边界变化条件下，进行嘉峪关（闸下）站的测站控制和断面控制特性理论分析，在基本测验断面冲淤变化和断面产生横比降情形下，研究应用中泓浮标法流量监测的方法，并且得出了水位—中泓浮标系数之间数学关系式，有效解决了浮标系数选用靠经验系数的弊端，为该站解决极端状况下大洪水流量监测提供准确的数据支撑。

关键词：测站控制，跌水断面；中泓浮标系数法；数据比测；误差检验

中图分类号：P332.4 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03

嘉峪关水文站是讨赖河国家一级流量控制站，中央报汛站、省级水质监测站。讨赖河位于甘肃省西北部，河西走廊中段，系内陆河流域黑河水系一级支流。讨赖河发源于青海省祁连山中段讨赖掌，河流沿着山脉主峰自东南向西北流动，向北流出祁连山脉北麓的崇山峻岭后，称讨赖河；至原冰沟水文站出山后流向东北，称为北大河，在嘉峪关段修建渠首分水向东流，绕酒泉城北流入鸳鸯池水库，河长240 km，至嘉峪关站流域面积7 095 km2。河流水由冰雪融水、降水和地下水补给，冰沟站口以上属径流形成区，在出山口径流达到最大值。流域下垫面条件较差，地势陡峻，河床坡降大，河水涨落速度快。

1 嘉峪关（闸下）测站的概况

1.1 研究河段及断面情况

研究河段180 m为人工治理河段，河道顺直，测验断面设在两跌水之间下游跌水以上3.5 m处。左岸为混凝土浇筑垂直墙体，右岸墙体为斜坡大卵石干垒，由石笼网加固而成。河床系卵石细沙组成，断面上游有河心滩，中低水流有分叉现象，测验断面处水流集中，基本断面水位产生横比降，但冲淤变化区间稳定。

1.2 测站特性

断面控制是指监测河段中所具有的一种使水位流量关系在某断面保持稳定所具有的控制作用；河槽控制是指断面控制的水位流量关系靠一段河槽的底坡、糙率、断面形状等因素来达到稳定的作用。因此，水位流量关系的变化是随测验河段的水力因素而变动的，水力因素的变动取决于测站的地形、地貌特性[1-2]。

由此可见，嘉峪关（闸下）站水力因素的变动取决于测站突起的石梁、跌水、急滩、卡口、人工堰坝等地形地貌，这些地形地貌特性也会对水力因素造成不同程度的影响，构成断面控制的地形条件，使水面曲线发生跌落形成临界流，水位流量关系保持稳定。

1.3 测站断面冲淤的变化特性

断面冲淤影响是河槽控制、断面控制综合作用的结果。断面冲淤影响并不一定发生在测流断面上，而是在断面控制或河槽控制的改变而引起的面积变化。当断面控制或河槽控制没有发生变化，这时测流断面虽有冲淤，但测流断面的冲淤对流量的影响与流速的改变可以相互抵消，因此水位流量关系是稳定的。

嘉峪关（闸下）站断面设立在两跌水之间，河槽两岸均为人工治理河段，河槽控制的断面控制良好。水文监测断面设于跌水坝梁上游约3.5 m处位置，跌水坝梁的作用致使断面河床冲淤变化很小，断面控制稳定，推理H-Q关系稳定且呈单一曲线。

2 中泓浮标法流量监测分析

中泓浮标法流量监测是水文常用的一种流量监测手段，也是流量监测在非常时期采用的有效方法。

2.1 中泓浮标法的工作原理

中泓浮标法工作原理和流量计算公式为：

Q=Kf×Vfmax×Vfmax（1）

式（1），Q为断面流量（m3/s），Vfmax为断面面积（m2），

Vfmax为中泓浮标最大流速（m/s），Kf为中泓浮标系数。中泓浮标法测验简单，影响流量计算关键因素是断面面积和中泓浮标系数，在水流运动和河段边界变化条件下，断面面积和中泓浮标系数研究情况介绍如下。

2.2 断面面积的计算

2.2.1 浮标断面借用

影响浮标测流法流量监测精度的重要因素是水道断面面积。浮标测流时一般借用断面计算，尤其是河床冲淤变化显著的测站，断面面积计算误差较大；河床稳定的测站则借用最近的实测断面资料，误差相对较小。

2.2.2 实测大断面冲淤分析

通过分析2019—2022年16次实测大断面资料，发现断面河底有起伏变化，断面起点距10.0～61.9 m，河底高程淤积最大相对误差为12.07%，淤积最小相对误差为4.14%；冲刷最大相对误差为-11.11%，冲刷最小相对误差为-4.77%；极值差区间为0.14～0.26 m变化，冲淤变化区间较为稳定，说明水流在测验河段运行中水能对河槽的冲刷淤积能力达到一定能量平衡，使断面冲淤变化区间较为稳定，是河槽控制和断面控制特性共同影响的结果。嘉峪关（闸下）站实测大断面见图1。

2.2.3 过水断面面积的计算方法

因测验断面左岸比右岸高0.23 m，断面的水流产生横比降，流态像微型“都江堰”一般，水面线不成水平直线，水深计算不能直接用测时水位减去对应河底高程得出，需要进行合理的水位修正。具体方法：（1）以左岸的水位为基数向右岸起点距内插得水位线，然后依次减去对应河底高程即为有效水深；（2）据勘察起点距50.0～61.9 m相应水位采用左岸水位为宜，起点距50.0 m至右岸边相应水位采用水位直线内插值处理；（3）各起点距对应水深等于相应改正水位减去对应河底高程。嘉峪关（闸下）站过水断面面积计算方法的关键是解决断面横水位差问题，这与其他断面面积计算原理和方法相同。

2.3 中泓浮标试验系数的测定

2.3.1 中泓浮标法流量测验方法

中泓浮标法测验方法是在一次测验中断面中泓位置投放若干个浮标，选取运行正常、时间最短的2～3个有效浮标算其平均历时，然后算出浮标经过两断面距离行经流速。

Vfmax=L/t（2）

式（2）中，Vfmax为中泓浮标流速（m/s），L为上下断面间距（m），t为所选有效浮标的平均历时（s）。

2.3.2 中泓浮标系数比测资料收集

根据已设立的嘉峪关（闸下）站上下浮标监测断面，进行中泓浮标比测实验，上下浮标监测断面相距80.7 m，基本水尺水位以右岸为准，在不同水位级观测相应水位，按中泓浮标施测要求进行逐级中泓浮标流速测验，并计算虚流量，与标准断面流量进行比测，算出中泓浮标流量系数（现收集中泓浮标法流量资料27份）。标准断面流量为2019—2022年嘉峪关（闸下）站研究所得的水位—流量综合曲线，其关系式为：

y=16.8924x4-92.7841x3+284.8721x2-333.9706x

+122.2641，R2=0.9999（3）

式（3）中，x为水位，y为流量。

2.3.3 中泓浮标系数率定

由于嘉峪关（闸下）站断面控制特性和断面水位产生横比降等原因，标准流量与虚流量相关关系呈非线性关系。此外，测验断面受跌水控制，断面稳定，因此水位与中泓浮标系数有良好关系。建立水位—中泓浮标系数（计算值）关系图及虚流量、标准流量对应的水位与中泓浮标系数关系图2。相关关系式为：

y=-0.2945x2+1.4673x-1.1623，R2=0.9881（4）

由图2可以看出：（1）水位与中泓浮标系数相关关系密切，呈现非线性相关关系；（2）关系曲线整体线型曲度较大，中上部线型较缓，说明高水中泓浮标系数变化趋于稳定，并推断高水中泓浮标系数逼近0.70。（3）经实验研究分析，本站高水中泓浮标系数为0.70趋于稳定，由此推论，当河道过水断面面积的宽深比≥40 m时，高水中泓浮标系数0.70为宜。（4）确定水位与中泓浮标系数时，一定要考虑最低水位控制点，否则线型变化很大，影响中泓浮标系数精度。（5）根据浮标流量测验表明同一份浮标流量测验中断面浮标系数≥断面中泓浮标系数，为浮标系数选取提供合理性检查支撑。

2.3.4 水位—中泓浮标系数误差检验分析

经计算，水位—中泓浮标系数关系线系统平均相对误差为0.52%，符合关系线定线误差要求，水位—中泓浮标系数关系显著；从水位—中泓浮标系数关系定线图2看，R2=0.9881，也表明关系线相关程度较好。

经水位—中泓浮标系数关系曲线检验，符号检验显著性水平为1.15检验合格，偏离数值检验合格；标准差SE为2.0%，随机不确定度为4.0%，系统误差趋于0%，各种检验成果均符合规范要求，关系曲线可以使用。

2.3.5 水位—中泓浮标系数标准值推求

由水位—中泓浮标系数关系式可计算水位—中泓浮标系数标准值。但根据实测资料水位可计算到

2.18 m；经调查本测验断面测得历史最高洪水位为2.52 m，占水位系高水位部分的13.5%，依据水文规范关系线延长规定（高水部分可延长至曲线的30%），可以将浮标系数标准值推算到2.52 m处，并编制水位—中泓浮标系数标准值查算表。

3 特殊水流运动和河段边界变化条件下中泓浮标法流量监测的可行性方案应用

现以嘉峪关（闸下）站2022年8月13日09：24～28日13：00应用非正常情况下中泓浮标法实测流量共14份，简述推流过程步骤如下：

（1）预先实测断面成果备用；（2）按《流量测验规范》要求，选择测流时机。记录基本水尺（右岸水尺为准）读数，并计算相应水位；投放中泓浮标记录浮标运行历时，计算中泓浮标流速与虚流量和标准流量；（3）借用8月12日实测大断面成果计算断面面积。其中左岸起点距50.0～61.9 m之间测时，水位用左岸水尺观测水位平行内插处理，右岸相应水边至45 m之间测时水位用起点距50.0 m与右岸边水位直线内插而得；然后计算各条垂线水深、断面面积；（4）在流量测验记载计算表中计算填写相关数据；（5）根据测时相应水位在差算表中查找对应中泓浮标系数数据；（6）依据Q=Kf×Vfmax×A计算断面流量；（7）编制实测流量成果表（略）；（8）确定水位流量关系曲线，具体见图3，嘉峪关（闸下）站历年综合水位—流量关系校正曲线。中下部有实测点和历年关系节点，高水部分为历年关系节点；（9）建立水位流量关系表进行推流（表略）。

4 结论

通过对嘉峪关（闸下）站流量监测应用特殊水流运动和河段边界变化条件下中泓浮标法流

量监测可行性方案研究分析，得出如下结论：

（1）充分了解和掌握了嘉峪关（闸下）站测站特性和断面特点，即跌水急滩特性，为中泓浮标法流量监测提供了良好的水文理论基础支撑。

（2）跌水急滩特性证明测验断面具有稳定的河槽控制和断面控制特性，测验断面容易形成稳定单一的水位流量关系，为流量测验和资料整编提供了理论基础指导。

（3）通过分析断面冲淤特性可以了解断面冲淤变化情况。

（4）经水位与中泓浮标系数关系的确定，证明水位与中泓浮标系数关系是非线性关系，其表达式为：y=-0.2945x2+1.4673x-1.1623（x为水位，y为中泓浮标系数）。

（5）经实验研究分析，本站高水中泓浮标系数为0.70趋于稳定，由此推论，当河道过水断面面积的宽深比≥40 m时，高水中泓浮标系数应0.70。

（6）由水位与中泓浮标系数关系曲线检验计算可知，各种检验成果均符合要求（符号检验显著性水平为1.15检验合格；偏离数值检验合格；标准差SE为2.0%，随机不确定度为4.0%）。

（7）在特殊水流运动和河段边界变化条件下，水位与中泓浮标系数关系式的应用，解决了水流复杂站点中泓浮标系数靠水文经验系数取值的弊端，是中泓浮标法测流可行性研究方案的亮点和创新。

参考文献

[1] 钟金鸣，单志学.水文信息监测中流量的比测分析[J].内蒙古水利，2024（1）：16-18.

[2] 江伟安，郑汲.甬江流域”三江”干流沿江闸泵流量监测系统现状分析及思考[J].水资源开发与管理，2023，9（11）：55-58.