陳河水文站代表垂線平均流速與斷面平均流速關系分析

董禮瑋

（陜西省西安水文水資源勘測局 陜西 西安 710100）

1 流域概況

1.1 河流及地形地貌

黑河屬秦嶺北麓山溪性河流，發源于秦嶺主峰太白山，流域內植被良好，為秦嶺林區，森林覆蓋率為46%。流域總面積2258km2，平均比降為8.77‰。流域內較大支流由南向北分別為大蟒河、板房子河、虎豹河、王家河、田峪河等。流域內地勢南高北低，自西南向東北傾斜，上游為秦嶺山區，中游為秦嶺山前洪積裙，下游為渭河一級階地。屬山溪性河流，洪水主要由暴雨形成，洪峰漲落急劇，沙峰一般與水峰相對應。含沙量小，水無污染，符合國家飲用水標準，是西安市城市水源地。

1.2 水利工程情況

1999年在黑河北緯34°03′，東經108°13′處攔河建成有效庫容為1.75×108m3的黑河金盆水庫水利樞紐，主要任務為向西安市城市供水及周邊2.47×104km2灌區供水。本世紀初，流域內先后建成水力發電站兩處。

1.3 設站及斷面控制情況

陳河水文站始建于1996年，設立初主要為黑河水庫工程建設服務，屬專用水文站，2005年納入國家基本站網，成為基本水文站。地處陜西省西安市周至縣陳河鄉木江河村，地理位置為北緯33°58′23″，東經108°09′52″。集水面積1380km2，距河口里程53km，基本斷面距金盆水庫大壩約12.5km。測驗河段順直長度約為210m，斷面呈“U”型。河床由卵、塊石組成，右岸為山崖，左岸是石崖，高水控制好。主槽在左邊，右邊為灘地。基本水尺斷面下游200m有木江河支流匯入，在高庫容和下游支流漲水時對測驗河段水流有頂托影響。

2 流量測驗、整編情況

2.1 流量測驗

陳河水文站自1996年設立至2006年，流量測驗：低水涉水施測，中、高水中泓浮標施測。2006年6月建成一套半自動纜道測流系統，中、高水改用纜道施測。該流域洪水主要由暴雨形成，洪峰漲落急劇，漲峰尤為急劇，每分鐘可達2m左右。加之流速大，高水漂浮物較多，無疑給搶測流量過程增加了人為的測驗困難。因此，想找到一種比較簡單的，適合在陳河中高水環境下的實測替代方法，找出替代方法和正常步驟測流之間的關系。通過公式來計算，以方便測站人員在中高水流量測驗中減少勞動強度，較好的完成工作任務，并且可以更好的控制洪峰過程。

2.2 整編定線

由于該站測驗斷面以下為黑河金盆水庫，在高庫容和下游支流漲水對測驗河段水流頂托影響下，測驗斷面沖淤變化較大，全年采用連時序法、臨時曲線法聯合定線推流。該方法整編定線的基本原則：一是要求流量測次足夠多，且分布合理。二是必須完整控制水位流量關系變化的轉折點，不應出現缺測、漏測。三是保證單次流量測驗精度。若該站在水流漲落率劇烈影響下，依然采用常測法測驗方案布控流量過程和峰谷轉折點，受測速總歷時制約，必然影響流量測次分布，降低定線推流精度。

3 垂線、斷面平均流速關系分析

為提高單次流量測驗精度，縮短流速測驗歷時，適時控制流量漲落過程及峰谷轉折點，本文共收集了該站2014年，實測流量10m3/s以上的45次實測流量的斷面平均流速，代表垂線（起點距30.0m處）平均流速實測資料（見表1），水位變幅在601.42m～604.74m。并據此進行測驗斷面簡化流速垂線的分析。

3.1 簡化流速垂線分析

根據實測資料繪制垂線平均流速與斷面平均流速的相關關系圖（見圖1）。得出起點距30.0m處的垂線平均流速與

斷面平均流速具有良好的關系，相關系數達0.98以上。平均流速相關關系式為：

表1 起點距30.0m垂線平均流速（V代）、斷面平均流速（V斷）實測數據

表2 流量誤差計算表

所以，此垂線可作為施測斷面平均流速的代表垂線。

圖1 垂線平均流速與斷面平均流速相關關系

3.2 關系線誤差評定

由定線誤差評定表（表2）可以看出，實測點與關系線無明顯系統偏離，45次實測流量和計算流量相對誤差均不偏離10%。相對誤差均值為-0.15%，符合單一曲線定線精度指標。

3.3 關系曲線三種檢驗（根據陳河站流量三類精度檢驗）

三種檢驗及標準差按照《水文資料整編規范》有關公式進行計算，結果詳見表3。由表3可以看出，三種檢驗及標準差計算結果均符合規范要求。

3.4 關系曲線擬合公式

式中：V斷——斷面平均流速，m/s；

V垂線——起點距30.0m處垂線平均流速，m/s。

3.5 公式適用范圍

采用起點距30m處代表垂線平均流速（V垂線）適用條件如下：

（1）流速適用范圍：1.6m/s≤V垂線≤4.06 m/s。

（2）流量適用范圍：14.6m3/s≤Q≤459m3/s。

（3）在中高水情況下，該公式具有良好的適用性。

4 結語

通過簡化流速垂線分析及分析結果，該站單次流量的斷面平均流速測驗可簡化為只施測起點距30.0m處垂線平均流速，并利用擬合公式計算出斷面平均流速，乘以相應的過水斷面面積的方法計算相應單次流量。采用代表垂線法施測斷面平均流速，可將多條測速垂線簡化至1條，故此實測斷面平均流速的所用的時間可以大大縮短，這無疑保證了搶測洪水流量過程（尤其是峰谷轉折點）的測驗時機，而且也能節省人力，減輕勞動強度。※