祖厲河流域中泓浮標系數分析

鄧念德

摘要? ? 中泓浮標法是河流洪水暴漲、暴落且流速儀測流困難或發生特殊水情時水文站采用的備用測流方法。本文根據祖厲河會寧、郭城驛、靖遠3個水文站多年實測流量資料，對祖厲河流域天然河道中泓浮標系數進行計算與分析，其結果可以為突發洪水、特殊水情、應急監測、防洪預警以及測驗人員不足情況下流量測驗提供技術依據。

關鍵詞? ? 中泓浮標;系數;流量;誤差計算;祖厲河流域

中圖分類號? ? P332.4? ? ? ? 文獻標識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2018）23-0190-02

祖厲河發生洪水時，泥沙大、漂浮物多，中高水期無法采用流速儀測流量。中泓浮標法作為水文站一種備用的測驗方法，是河流洪水暴漲、暴落且流速儀測流困難或發生特殊水情時主要采用的測流方法。為了滿足流域內突發洪水、特殊水情、應急監測、防洪預警以及測驗人員不足情況下流量測驗需要，通過會寧、郭城驛、靖遠3個站歷年實測浮標（均勻浮標法）流量資料，運用水位-流量關系曲線法和水面-流速系數法計算對比分析各站相關關系，確定各站中泓浮標系數，在符合規范規定的前提下，為祖厲河流域天然河道流量測驗提供技術依據。

1? ? 研究區概況與分析方法

1.1? ? 研究區概況

1.1.1? ? 流域概況。祖厲河是黃河一級支流，又名祖厲川、屎岔河、南河。祖厲河上源是厲河，發源于甘肅省會寧縣南部與通渭縣交界處的華家嶺北麓，北流至會寧縣城匯合東來祖河后始稱祖厲河，北偏西流至靖遠縣城西3 km處的紅嘴子注入黃河。主河道全長219 km，流域面積10 680 km2，多年平均流量3.29 m3/s，年徑流量1.05億m3。流域面積50 km2以上河流有68條，面積500 km2以上河流有6條。

祖厲河流域屬溫帶半干旱氣候區，氣溫由南向北遞增，上游以會寧縣氣象站為代表，年平均氣溫6.6 ℃，下游以郭城驛站為代表，年平均氣溫8.6 ℃;降水由南向北遞減，多年平均降水量由南部的488 mm逐漸減少到北部的244 mm。

流域地處隴西黃土高原，地貌形態為黃土丘陵和殘原，濕陷性黃土層厚達15～25 m，植被稀疏，沖刷嚴重，河水中平均含沙量457 kg/m3，最大含沙量高達1 110 kg/m3，平均年輸沙量6 764萬t，是世界上含沙量最大的河流之一。河水中含有大量鎂、鈉、鈣等元素，礦化度達3 g/L以上，水質苦咸，不能利用，是黃河流域著名的苦水河。

1.1.2? ? 水文站點情況。祖厲河干流自上而下設有會寧、郭城驛、靖遠3個水文站。其中，郭城驛、靖遠2個站是國家重要水文站，其實時監測祖厲河雨水情信息及收集地表水資源基礎資料，并承擔祖厲河雨水情防汛預警任務，為下游區域防洪減災提供科學技術依據。各站點分布見圖1。

1.1.3? ? 河流基本特征。祖厲河屬高含沙河流，具有山溪性河流的特征[1]，徑流來源主要是暴雨洪水，平時河流接近干涸。根據會寧、郭城驛、靖遠3個站歷年水文資料分析確定，祖厲河洪水過程陡漲陡落，呈尖瘦型，上下游洪水變化過程較為一致。河床由淤泥細沙組成、含沙量大、沖淤變化頻繁是3個站測驗河段的主要特征。

1.2? ? 資料系列選用

點繪祖厲河流域年均降水量與年徑流量時序累積值相關曲線圖如圖2所示。可以看出，祖厲河流域受流域氣候變化及人類活動影響，流域水文特性發生較大變化，祖厲河流域降水-徑流雙累積曲線在1995年后發生顯著偏移，表明流域水文特性在1995年后產生變化。因此，在保證水文資料的連續性、一致性、準確性、可靠性的前提下，為提高分析精度，會寧、郭城驛、靖遠3個站采用水文資料系列為1996—2016年。

為了保證分析精度和質量，根據以上3個站實測資料及各自測驗河段特性，選用各站流量>50 m3/s以上數據樣本進行計算分析，會寧、靖遠站選用資料系列樣本各70個，郭城驛站選用樣本114個。

1.3? ? 分析方法

1.3.1? ? 依據。《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）C.6.1條規定：水面浮標系數的試驗，有條件進行比測試驗的測站，應以流速儀法測流和浮標法測流進行比測試驗;無條件比測試驗的測站，可采用水位流量關系曲線法和水面流速系數法確定浮標系數[2-3]。浮標系數應由斷面流量除以斷面虛流量，或由斷面平均流速除以斷面平均虛流速，或斷面平均流速除以中泓（最大水面虛流速）、漂浮物浮標流速[4-5]。

由于祖厲河會寧、郭城驛、靖遠3個站在中高水期無法使用流速儀法進行流量測驗。因此，根據這3個站的歷年實測浮標流量（均勻浮標法）資料，采用水位-流量關系曲線法和水面-流速系數法2種方法進行對比分析，確定相應的泓浮標系數[6]。

1.3.2? ? 中泓浮標系數計算分析。

（1）水位-流量關系曲線法計算分析。根據各站選用的資料系列樣本，采用中泓浮標法計算分析，其計算如下式：

Q=Kmf AmVmf

式中：Q為斷面流量（m3/s），Kmf為中泓浮標系數，Am為斷面面積（m2），Vmf為中泓浮標水面（最大）流速（m/s）。

（2）水面-流速系數法計算分析。根據《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）C.6.6條規定要求：采用水面流速系數的試驗資料間接確定浮標系數，并應符合中泓水面流速系數的試驗，宜按高水期所選用的一種測流方案比測分析。

2? ? 結果與分析

2.1? ? 水位-流量關系曲線法計算結果

通過中泓水面（最大）流速浮標間接求出各級水位斷面虛流量，以實測流量（水位-流量關系）為縱坐標，中泓虛流量為橫坐標，點繪關系曲線，見圖3。求得會寧站相關關系R2=0.989 0，K=0.722 0;郭城驛站相關關系R2=0.970 8，K=0.658 5;靖遠站相關關系R2=0.987 9，K=0.730 5;即各站中泓浮標系數會寧站為0.722 0，郭城驛站為0.658 5，靖遠站為0.730 5。

2.2? ? 水面-流速系數法計算結果

采用歷年中高水實測資料（均勻浮標法），建立3個站斷面平均流速及中泓最大水面虛流速關系，見圖4。求得會寧站相關關系R2=0.919 7，K=0.697 0;郭城驛站相關關系R2=0.915 4，K=0.705 5;靖遠站相關關系R2=0.953 0，K=0.728 0;即各站中泓浮標系數會寧站為0.697 0，郭城驛站為0.705 5，靖遠站為0.728 0。

2.3? ? 流量還原計算

通過2種方法計算分析，郭城驛站采用水位-流量關系曲線法得出的中泓浮標系數偏低。經分析，其原因主要為受其支流關川河匯入后，部分場次受回水頂托和沖淤變化頻繁造成水位抬高、面積增大、流速變小導致系數偏小。

經對3個站實測資料按照水面-流速系數法計算結果進行流量還原計算，剔除因測驗誤差造成的測點，各站均勻浮標法計算與中泓浮標法計算斷面流量分析誤差見表1～3。

3個站經用水面流速法分析結果進行流量還原計算，可以發現，90%以上系列資料相對誤差符合《河流流量測驗規范》（GB 50179—2015）精度要求，中水期僅有少數選用樣本誤差達到8%～11%，其原因主要是測驗河段受沖淤變化造成斷面面積變小所致。

3? ? 結論

采用水位-流量關系曲線法計算祖厲河會寧、郭城驛、靖遠3個站中泓浮標系數，其中郭城驛站計算結果偏低。因此，以上3個站采用水面-流速系數法分析結果，即中泓浮標系數會寧站為0.697 0、郭城驛站為0.705 5、靖遠站為0.728 0。通過流量還原計算，流量成果95%的樣本均在允許誤差之內，其計算結果符合本站河流特性。

4? ? 參考文獻

[1] 楊成有，劉進琪.甘肅江河地理名錄[M].蘭州：甘肅人民出版社，2014.

[2] 朱曉原，張留柱，姚永熙.水文測驗實用手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.河流流量測驗規范：GB 50179-2015[S].北京：中國計劃出版社，2016.

[4] 饒斌，陳玉斌.水文站中泓浮標系數分析[J].低碳世界，2018（4）：64-65.

[5] 楊立敏.碧口水文站中泓浮標系數試驗分析[J].甘肅水利水電技術，2017，53（10）：21-24.

[6] 黃世洪，鄒費祥.兩種浮標測驗法的對比分析[J].長江工程職業技術學院學報，2016，33（2）：5-7.