半江垂線代表線法流量測驗分析

柳 恒，馬文喜 ，吳高莊,王化鑫

（松遼委水文局黑龍江上游局，黑龍江 黑河 164300）

1 測站及流量測驗情況

上馬廠水文站位于澤雅河口上游9.8 km處，是黑龍江干流澤雅河口上游控制站。卡倫山站水文站位于澤雅河口下游18.9 km處，是黑龍江干流澤雅河口下游控制站。兩站均為國家基本水文站。

黑龍江屬于季節性河流，封凍期近半年。每年10月上旬上游出現初冰，中游10月下旬始見初冰。翌年4月中下旬先中游后上游解凍。封凍期上游160 d以上，中游140～160 d。封凍期在測流斷面上從左岸到右岸布置若干固定位置測孔施測流量，封凍期每個測站流量測驗次數在15次左右。流量測驗均按照GB50179-93《河流流量測驗規范》的相關要求執行。

2 封凍期流量測驗方案

為了解決封凍期不能過江開展流量測驗工作，提出了通過在中方一側選取垂線代表線，利用某種關系解決全斷面流量測驗問題，從而有效延長實測資料系列。通過分析歷史資料，選取中國側半江具有代表性的測速（測深）垂線計算出半江流量，建立半江流量和全斷面流量相關關系，這種方法即為半江垂線代表線法流量測驗。這種測驗方案的關鍵是找出能夠建立半江流量和全斷面流量相關關系的具有代表性的測速（測深）垂線。一旦確定出代表性垂線，流量測驗就變為施測中國側有代表性的垂線，然后根據關系式推流定線。

3 封凍期流量測驗方案分析

3．1 資料選取

資料選用2005—2009年共5年上馬廠、卡倫山兩站的實測流量資料，各74次。上馬廠站最大流量為255 m3/s,最小流量34.1 m3/s，流量變幅220.9 m3/s；卡倫山站最大流量為1 060 m3/s,最小流量660 m3/s，流量變幅400 m3/s。

3．2 資料分析

利用每個測次的部分流量和全斷面流量建立關系，試圖找出其中的相關關系，然后對這種關系進行各項指標檢驗和誤差分析，確定是否滿足流量測驗規范的各項要求。

如果把斷面出流量作為一個模型來處理的話，涉及到的模型因子主要有：斷面穩定情況、水深、水浸冰厚、流速。下面對這幾方面情況進行分析。

1）歷年斷面河床的穩定情況

分別選取兩站建站以來5年的大斷面資料繪制斷面圖，兩站的斷面河床自建站以來很穩定，沖淤變化很小。卡倫山站起點距在250～500 m之間略有沖淤變化，總體趨于平穩。

2）斷面垂線流速、水深、水浸冰厚分布情況

選取有代表性的測次，建立斷面垂線流速、水深、水浸冰厚分布情況圖，見圖1。

圖1 斷面各垂線平均流速、水深、水浸冰厚分布圖

從圖1看出，兩站封凍期水浸冰厚大小沿整個測流斷面橫向變化起伏不大，兩岸邊的水浸冰厚較厚，河流中泓部分水浸冰厚大小相差不大；流速小時水浸冰厚稍大，流速大時水浸冰厚小。流速的變化表現在水深大流速也大，中泓的地方流速大，同時水浸冰厚大流速就小。這些變化規律完全符合水文要素之間變化規律。需要說明的是，分析發現兩站斷面垂線流速、水深、水浸冰厚分布情況圖的這種趨勢體現了整個封凍期的變化情況，尤其是穩定的封凍期。由此可見封凍期斷面垂線流速、水深、水浸冰厚大小變化相互影響，符合水文規律。同時也體現出封凍期來水少，各站水位變化小，各水文因素系統變化一致，沒有大幅波動。

3）斷面平均流速與垂線平均流速的分布情況

根據選取測次的全斷面平均流速與各垂線的流速建立關系圖，如圖2所示。

圖2 流速分布圖

從圖2看出上馬廠站所有18條測速垂線中大于斷面平均流速的部分有2股，分別在4—9號孔之間以及15—17號孔之間；卡倫山站所有22條測速垂線中大于斷面平均流速的部分集中在中泓部分的5—10號孔之間。這種分布情況在整個封凍期表現很穩定，在所選全部流量測次資料中兩站垂線平均流速大于斷面平均流速的測速垂線數占全部測速垂線的百分數均趨近50%。

3．3 垂線代表線的選取

通過上面的分析，上馬廠站半江的1—6號孔的測速垂線流速大于斷面平均流速的垂線數百分比很穩定，約為15%，而且大于斷面平均流速的半江垂線數大多為2條且固定為5號、6號孔，有3條的時候增加一個4號孔。上馬廠站選取1—6號孔作為垂線代表線。

卡倫山站半江的1—10號孔的測速垂線流速大于斷面平均流速的垂線數百分比平均約為30%，主要分布在中泓部分的5—10號孔之間；有時在水位高、冰厚薄的時候會出現右岸的1號和2號孔垂線流速也大于斷面平均流速的情況。卡倫山站選取1—10號孔作為垂線代表線。

3．4 半江垂線代表線流量與全斷面流量關系

選取兩站2005－2009年全部測次資料，取每個測次垂線代表線所得半江流量與該測次全斷面流量建立相關關系，根據實測流量資料得出兩站半江流量與全斷面流量相關關系式分別為：y=3.322 x+17.19和y=1.740 x+22.35，式中y代表全斷面流量、x代表半江流量。

3．5 流量關系線檢驗

以上面擬定的流量相關線作為標準關系線，做定線精度檢驗。從檢驗結果可以看出，上馬廠、卡倫山站所有誤差檢驗指標均符合一類精度水文站的流量關系定線精度標準。兩站檢驗指標結果和檢驗標準見表1。

表1 兩站流量關系線定線精度檢驗成果表

4 封凍期流量測驗方案論證

選取近5年（2005—2009年）兩站封凍期所有實測流量資料。根據各站建立的流量相關關系式，取用實測的半江垂線代表線流量推求全斷面流量。根據求得全斷面流量、計算封凍期流量改正系數K值進行定線推流。由半江垂線代表線流量建立的相關關系式所推求的流量數據進行各站各年水文資料整編，分析使用這種半江垂線代表線流量測驗方法和常規的流量測驗方法所得流量數據進行各站水文資料整編的精度情況。

下面是兩站2005—2009年使用半江垂線代表線法計算的全斷面流量和常規的流量測驗方法所得流量進行資料整編后所得各年平均流量和徑流量的比較情況。從表2、表3中可以看出通過兩種方法所得兩站流量和徑流量基本差別不大，僅2005年的年平均流量最大相對誤差約為2%，年徑流量最大相對誤差約為2%。均滿足資料整編規范精度要求。

表2 上馬廠站流量、徑流量比較

5 結 語

黑龍江屬于國際性大河流，中俄界河，水量豐沛，收集它的水文資料對于我國未來水利事業發展愈顯重要。尤其是目前黑龍江干流水文資料系列僅為22年。利用半江垂線代表線分析建立的流量關系能滿足水文資料的定線、推流要求，在特殊的情況下能保證水文測驗工作繼續開展，保證水文資料的連續性。實施半江垂線代表線法流量測驗屬于流量測驗的一種精簡技術，在滿足精度要求的同時可以節省一定量的人力、財力投入。

表3 卡倫山站流量、徑流量比較

半江垂線代表線法流量測驗分析來源于冰期定點式流量測驗，依據冰期影響河流斷面流量各要素系統隨時間變化穩定的特征。對于北方結冰河流流量測流方法提出新的思路，有一定參考價值。