代表垂線法在中高水流量測驗方案的應用

郝金義 肖博文 徐新學 饒勇

摘 ?要：本文依據(jù)谷城站2007-2010年實測流量資料、測驗河段及河道斷面的特點，針對上游電站泄流頻繁、水位漲落急劇情況，提出中高水流量測驗方案中采用代表測速垂線與斷面平均流速間的綜合關系，提出適合該站水流特性的中高水流量測驗方案，驗證該方法的可行性和有效性。

關鍵詞：水文測驗;測驗方案;代表測速垂線

中圖分類號：P332.4 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0096-03

Application of Representative Vertical Method in Medium and

High Flow Measurement

HAO Jinyi，XIAO Bowen，XU Xinxue，RAO Yong

（Hanjiang Hydrological and Water Resources Survey Bureau，Hydrological Bureau of Yangtze River Water Conservancy Commission，

Xiangyang ?441022，China）

Abstract：According to the measured flow data，the characteristics of the measured river reach and river section of Gucheng Station from 2007 to 2010，and in view of the frequent discharge and sharp fluctuation of water level in the upstream power station，a comprehensive relationship between the vertical line of velocity measurement and the average velocity of cross section is proposed in the middle-high flow measurement scheme，and a middle-high flow measurement scheme suitable for the flow characteristics of the station is put forward to verify the feasibility of the method. And effectiveness.

Keywords：hydrological test;test scheme;representative velocity vertical line

0 ?引 ?言

谷城水文站是漢江一級支流南河基本控制站，屬國家二類（流量）精度站，始建于1936年7月。自1980年9月以來，該站主要為上游電站泄流形成。由于汛期上游電站閘門開啟較為頻繁，水位陡漲陡落，使得流量測驗較為困難，特別是在電站泄洪，形成中高水時，流量測驗十分困難;縮短測驗歷時、優(yōu)化測驗方案是解決該站流量測驗困難的重要手段。本文提出了一種以代表測速垂線為主的流量測驗方案，以達到便于施測、減輕測驗勞動強度和提高工作效率的目的。

1 ?測流基本特性

1.1 ?測流斷面概況

谷城水文站測驗河段順直，上游有彎道控制，測流斷面兩岸均有堤防控制，左岸為卵石河床，右岸為“卵石夾沙”邊灘，河床較穩(wěn)定。測驗斷面形狀及變化情況如圖1所示。

由圖1可知，河流主槽在左岸，斷面變化較小，河床比較穩(wěn)定。

1.2 ?測流斷面概況

由多年的實測資料可知，該站在中低水時受河槽控制作用弱，并受其他影響因素影響，低枯水時水位-流量關系為臨時曲線;中高水時水位-流量關系呈單一線，且歷年趨勢基本一致。

2 ?中高水代表測速垂線與斷面平均流速關系分析

2.1 ?代表測速垂線的選擇

以該站原有《水文測驗任務書》規(guī)定的以固定測速垂線為基礎的多次流量實測資料來進行應用分析，滑動選取測速垂線，優(yōu)選代表性較好的，即起點距80m、140m、175m的3條垂線為代表垂線組合，計算其平均流速V代表，然后對代表測速垂線平均流速V代表與原實測斷面平均流速V斷面進行相關分析。

2.2 ?高水期資料的選取與代表測速垂線的分析

選擇該站2007-2010年高水期的實測流量資料作為分析資料。

下面以代表測速垂線計算的算術平均流速V代表為縱坐標，以原實測斷面平均流速V斷面為橫坐標，繪制V代表-V斷面關系線，進行誤差分析，如圖2所示。

從圖2中可看出代表測速垂線平均流速V代表與原斷面平均流速V斷面呈帶狀分布，相關方程為：

由上述分析可知，原斷面平均流速V斷面與代表測速垂線平均流速V代表呈直線變化，具有較強的代表性，故可通過代表測速垂線的測量來計算斷面平均流速。

在建立了代表測速平均流速-斷面平均流速關系后，當斷面流速分布發(fā)生改變時，我們可通過代表測速垂線調整重新率定關系，建立新的代表測速平均流速V代表-原斷面平均流速V斷面關系。

為了進一步驗證說明該站所點繪的高水期V代表-V斷面關系線的合理性，下面對圖2進行曲線檢驗，結果如表1所示。

以上檢驗結果說明，該站高水期V代表-V斷面關系系數(shù)選定結果符合規(guī)范要求。

2.3 ?中水期資料的選取與代表測速垂線的分析

選擇該站2007～2010的實測流量資料進行整理分析，通過篩選，依然采用起點距80m、140m、175m的3條垂線為中水期代表測速垂線，建立V代表-V斷面關系曲線，分析方法和步驟同高水期，如圖3所示。

從圖3中可看出代表測速垂線平均流速V代表與原實測斷面平均流速V斷面各關系點分布比較均勻，繪制中水期V代表- V斷面關系式，其相關方程為：

由代表測速垂線根據(jù)式（2）計算查線值，然后與原實測斷面平均流速V斷面進行誤差統(tǒng)計分析，即對該站所定V代表- V斷面關系式進行檢驗，結果如表2所示。

由計算結果可知，各項誤差檢驗均符合《水文資料整編》規(guī)范要求，根據(jù)式（1）和式（2），用該站中高水的代表測速垂線的算術平均流速來推算斷面平均流速，使用相應實測斷面面積進行了流量計算，并與原實測流量進行了誤差分析，高水系統(tǒng)誤差為-0.90%，隨機不確定度4.62%;中水系統(tǒng)誤差為0.56%，隨機不確定度5.77%。分析結果符合《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-93）表4.1.4規(guī)定。

3 ?借用大斷面資料計算流量的可行性分析

根據(jù)流量計算公式Q=FV斷面可知，斷面流量等于斷面面積（F）和斷面平均流速（V斷面）。由上述分析可知，斷面平均流速可以通過施測代表垂線來計算算術平均流速，利用式（1）和式（2）查算求得，對于大斷面面積的確定，可以采用實測或者借用已測大斷面資料（應用時需進行可行性分析）兩種方法均可。本文對在實測困難時，借用臨近實測的大斷面資料是否可行進行了相關分析。

根據(jù)2007-2010年汛前大斷面成果，直線插補出各固定垂線的河底高程，分析比較，發(fā)現(xiàn)2007-2010年各固定測速垂線河底高程變化比較小，如圖4所示。

鑒于該站斷面比較穩(wěn)定，借用大斷面成果來計算斷面面積，與2007-2010洪水實測流量斷面面積來比較，根據(jù)式（1）和式（2）利用代表測速垂線V代表查算斷面平均流速、乘以借用斷面面積計算流量與實測流量進行誤差統(tǒng)計分析，如表3所示。

通過代表測速垂線和借用斷面面積計算流量與原實測流量誤差分析，高水系統(tǒng)誤差為-0.35%，隨機不確定度為4.44%;中水系統(tǒng)誤差為0.17%，隨機不確定度為5.72%。分析結果符合《河流流量測驗規(guī)范》（GB 50179-93）表4.1.4的規(guī)定。

由上述分析可得出結論，在水位陡漲陡落或者實測水深困難時，該站斷面面積可借用臨近實測大斷面成果來計算。

4 ?流量測驗精簡方案

根據(jù)上述中高水代表測速垂線的應用分析及借用斷面資料計算流量的可行性分析結果，確定該站流量測驗方案為：

（1）中高水期，在固定垂線80m、140m、175m施測垂線平均流速，垂線平均流速施測方案按測站任務書規(guī)定執(zhí)行，計算代表代表測速垂線算術平均流速，根據(jù)式（1）和式（2）計算斷面平均流速（V斷面）。

（2）該站斷面面積比較穩(wěn)定，在水位漲落急劇或實測水深比較困難時，可以直接借用實測大斷面成果計算斷面面積（F）。

（3）根據(jù)公式Q=FV斷面計算斷面流量，即為單次測流成果。具體測驗方案如表4所示。

5 ?結 ?論

通過對該站中高水代表測速垂線計算的算術平均流速V代表與原實測斷面平均流速關系V斷面的分析，確定流量測驗精簡方案，使得測速垂線由原規(guī)定的多條減至3條，且在水位漲落急劇或實測水深比較困難時，可以直接借用實測大斷面成果計算斷面面積，有效縮短了測驗歷時，極大地提高測驗效率，操作簡便，可行性強，具有很強的適用性。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國水利部.GB 50179-93 河流流量測驗規(guī)范 [S].北京：中國計劃出版社，1993.

[2] 中華人民共和國水利部長江水利委員會水文局.SL247-1999 水文資料整編規(guī)范 [S].北京.中國水利水電出版社，1999.

作者簡介：郝金義（1982-），男，漢族，河南林州人，工程師，本科，研究方向：水文監(jiān)測與水文分析計算。