炎陵水文站巡測方案再精簡對流量精度的影響分析

李玉芳

（株洲水文站　株洲市　412000）

李林華

（株洲水文水資源勘測局　株洲市　412000）

炎陵水文站巡測方案再精簡對流量精度的影響分析

李玉芳

（株洲水文站株洲市412000）

李林華

（株洲水文水資源勘測局株洲市412000）

文章對炎陵水文站現行的巡測技術方案外延式驗證、巡測測次再適當減少后流量誤差的允許范圍及巡測前后資料精度的一致性穩定性這三個方面進行了分析論證。從分析計算結果來看，該水文站的流量測驗斷面比較穩定，巡測方案適合，流量測次還可以進行適當的減少，精簡后流量資料的連續性與一致性分析中也未出現明顯變化。說明炎陵水文站原巡測方案是可行的，流量測次適當減少后對資料精度的影響也基本上在巡測技術規范之內。

流量巡測再精簡精度分析誤差

1　問題提出

炎陵水文站受涉水工程影響的程度較輕，所在流域的下墊面狀況改變也較少，原流量巡測方案因涉水工程等影響亦未改變其控制條件，2013年底對原巡測方案進行了外延式三線檢驗分析驗證，其結論是：不需要進行調整。在此基礎上，本文對原巡測方案再次進行了精簡，經分析其相對誤差較少，基本上能達到流量資料整編規范精度要求。特別是在平水期，每月可以再適當減少流量測次，即每兩個月實測2～3次，這樣再減少近1/3流量測次，全年30次左右的測次可以減少到20次左右，為實現區域巡測提供良好的技術支撐。

2　測站基本情況

炎陵水文站位于湖南省炎陵縣霞陽鎮五里牌村，東經113°44′，北緯26°29′。1959年1月1日設立，集水面積814 km2，是湘東山區代表站，屬國家二類精度站。現有測驗項目：水位、流量、降水量、蒸發量，上游有5個配套雨量站。另附帶管理斜瀨水2個雨量站。該站測驗河段順直長約400 m，斷面呈“W”型，縱向呈喇叭狀向下游擴散。基本斷面上、下游200 m處各有急彎灘起測站控制作用，控制良好。河床右岸為巖石，左岸為沙、粘土及稻田；河床自上比降起為倒坡河床，由沙卵石組成，基本穩定，大洪水時稍有沖淤變化。基本斷面上游約2 000 m處，右岸有城關支流匯入，并建有800 kW小電站一座，開、閉閘門對低水位有一定影響。

3　原巡測方案及外延驗證

3.1原巡測方案

自1959年設站至1972年以前該站流量每年采用單一曲線法整編，1972年后由于站房旁建有縣造紙廠，每年大量的爐渣等工業廢料倒入基本斷面下游約80 m處右岸河道內，一般洪水時爐渣等工業廢料被沖至下游控制河段彎道處淤積起來，遇高洪水位時又被洪水沖走，所以，1972年以后每年都是臨時曲線法整編。其間有1972年、1975年、1976年作者簡介：李玉芳（1974-），女，助理工程師，從事水文監測與分析；李林華（1964-），男，高級工程師，從事水文監測與水資源分析研究。1984年、1985年、1997年各出現1次繩套，各次繩套漲落支線偏離均在5%內，經分析，該站出現繩套的主要原因是控制斷面沖淤變化，而與洪水高低和漲落率大小關系并不明顯，也可做兩根臨時曲線處理。1989年，經原湖南省水文總站批準，從當年起實行流量間測，停3年測1年，停測年份采用歷年綜合線推流。1991年株洲地區所屬測站重新進行站隊結合巡測分析時，對該站原停3年測1年改為全水位變幅巡測，水位在87.00 m以下按巡測點據定線推流，以上采用歷年綜全線推流。1992年7月6日該站發生當時建站以來最高洪水（92.34 m），洪水導致控制斷面嚴重淤積，1992年后各年的水位流量關系曲線都比1991年以前的歷年綜合線偏少。從1992～ 1998年恢復常規測驗。

1998年對炎陵水文站1992～1997年實測資料重新進行分析，經批準，自1999年起，流量測驗按巡測方案要求，全年實行巡測，每半月測流1次。各級水位流量測點均勻布置，全年測好1次較大洪水過程。該方案實施至今。

3.2對原巡測方案外延驗證

根據規范規定對水位流量關系曲線進行符號檢驗、適應性檢驗和偏離數值檢驗。利用2008～2012年實測流量資料成果，各年水位流量關系情況統計如表1。

表1　2008年～2012年水位流量關系曲線檢驗計算成果匯總表

從表1可以看出，2008～2012年定線完全符合水文巡測規范要求，說明流量測點年內離散程度較小。

3.32008～2012年各年水位流量關系曲線對比分析

本文目的為驗證炎陵站原有流量巡測方案是否適用。為此，將各年水位流量關系曲線點繪在一張圖上，從而掌握各年際間水位流量關系曲線變化趨勢，該站2008～2012年各年水位流量關系曲線見圖1。

圖1　炎陵站2008～2012年水位流量關系曲線圖

從圖1可以看出，2007～2009年3年水位流量關系變化較大，主要是2007年該站出現設站來最大洪水，斷面被沖刷，因此2008年水位流量關系線在90.00 m以下較2007年偏大，90.00 m以上因為基下350 m處，一民營企業進行廠房改造，大量泥土及紅磚等雜物堆積河中，影響流量顯著偏少，故2008年關系線與2007年線約在89.5 m處交叉。2010年11月11月2日后，由于炎陵縣修建衡茶吉鐵路和岳汝高速，需大量河砂，部份民工在該站控制斷面下游挖沙，引起枯水流速明顯偏大，形成臨時2線。除上述人為因素引起水位流量關系變化外，從2009年起，線與線間基本接近，部分水位線重合，特別是2011年度與2012年水位流量關系基本重合。

本文對2008～2012年各年水位流量關系曲線分別進行了三線檢驗，檢驗結果滿足規范和巡測方案要求。炎陵站現有巡測方案實用可靠，精度滿足規范要求。

4　原巡測方案再精簡分析

4.1再精簡的原則與方法

按隨機抽取的原則，該站年總測次在30次左右，每月施測2次，因此本次分析選取2個樣本系列，水位流量關系線進行三線檢驗通過后推求年逐日水位流量值，然后與原整編流量進行誤差分析。在隨機抽取樣本中，如果未抽取到年最大、最小測次流量，則增加至樣本系列中。

4.2誤差統計

根據該站巡測成果資料分析，流量再次精減1/3測次，隨機做出2個樣本，進行分析統計，其計算結果見表2與表3。

根據《水文巡測規范》表4.3.3和表4.3.5允許誤差指標要求，其年總量、次洪總量、以及枯水期誤差基本上在其允許誤差范圍內（個別年份有部分誤差指標超出其允許范圍）。總體上來說，該站再次精減少量測次是可行的，能滿足現行巡測規范要求。

表2　炎陵站樣本1特征值誤差分析統計表%

表3　炎陵站樣本2特征值誤差分析統計表%

4.3大斷面變化分析

該站河床基本穩定，歷年大斷面變化綜合曲線基本比較穩定，未出現明顯的沖淤現象，見圖2。

圖2　炎陵水文站多年大斷面綜合圖

5　巡測前后精度一致性分析

本文采用突變分析法、趨勢性分析法來判斷測驗方法改變前后水沙變化一致性狀況。本文取1990～2010年21年間巡測前后年平均流量資料為分析樣本。

5.1突變分析法

本文運用Mann-Kendall法。該方法以時間序列平穩為前提，并且該序列是隨機獨立的，其概率分布等同。在其原假設T0：時間序列沒有變化情況下，此序列為：i

式（1）中mi為第i個樣本xi大于xj（1≦j≦i）的累積數。

在原序列的隨機獨立等假設下，dk的均值和方差分別為：

dk將標準化：

給定一顯著性水平值α0，當α1〉α0時,拒絕原假設，表示序列將存在一個強的增加或減少趨勢。所有u（dk）（1≦k≦N）將組成一條曲線，當曲線超過信度線（本文分析取α0=0.01，相應地信度值范圍為：-2.58～2.58），即表示存在明顯變化趨勢。把此法引入到反序列中，得到另一條曲線，如果正反曲線交叉占位于信度線之間，這點便是突變點的開始。本文選取該站1999年實行巡測方案前后各10年資料（即1990～2010年）進行精度一致性分析，計算結果如下。該站年徑量未出現突變現象，說明巡測方案改變前后測驗方式與流量精度比較一致，而且波動范圍比較小。見圖3。

圖3　波動變化曲線

5.2趨勢分析法

本文采用累加濾波器法，它能反映時間序列定性趨勢。其基本計算公式為：

式中Sx均——累計平均值；

xi——水文時間系列值；

x均——水文時間系列均值；

k=1，2，3，…，n（n為水文時間系的長度）；

i=1，2，3，…，k。

從該站流量累計平均過程曲線可知，其累積濾波器法顯示，該站徑流量1990～2010年總體呈現明顯上升趨勢，而之后2002年后出現微弱波動下降勢態并趨于穩定。說明與巡測方案實施沒有什么關聯（圖4）。

圖4　炎陵水文站年均流量累計平均曲線圖

6　結論

從對炎陵水文站現行的巡測技術方案外延式驗證、巡測測次再適當減少后的流量誤差的允許范圍到巡測前后資料精度的一致性穩定性三個方面進行了分析論證。從分析計算結果來看，該水文站的流量測驗斷面比較穩定，巡測方案適合，流量測次還可以進行適當減少，精簡后流量資料的連續性與一致性分析中也未出現明顯變化，說明炎陵水文站原巡測方案是可行的，流量測次適當減少后對資料精度的影響也基本上在巡測技術規范之內。

（2016-02-10）