基于改正動態水位方法的山區型中小河流流量自動監測方法

聶大鵬

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

山區型中小河流暴雨引發的洪水陡漲陡落，給水文監測的時效性帶來很大的難度，面對突如其來的洪水，很難對其洪峰進行及時監測，從而影響防洪決策[1]。當前，全國山區型中小河流大都采用水文人工巡測的方式，一般采用走航式ADCP作為主要的流量應急監測方式[2- 6]，但這種方式往往存在測流人員安全得不到有效保障，測流時效性不高的問題[7]，尤其是在全流域出現大洪水的情況下，中小河流流量監測的時效性更難以得到有效保證。近些年來，流量自動監測一直得到研究，大體分為三種，第一種是采用固定式ADCP進行流量自動監測[8- 9]，但是這種方式的缺點在于當大洪水河流泥沙較大的情況下，這種方式受水體渾濁度增加影響，流量監測誤差一般較大。第二種方式為非接觸式高頻雷達探測方法[10- 11]，這種方式也逐步在國內許多河流得到應用，不同區域的應用效果有所差異，其主要通過監測河流表面流速，通過建立表面流速和垂線平均流速之間的關系，來實現流量的自動監測。該方式的缺點在于表面流速系數需要進行率定，存在一定的工作量，此外全流域山區型中小河流都按照非接觸式高頻雷達，費用較高。第三種方式為建立穩定的水位流量關系[12- 13]，當前，通過中小河流防汛體系建設項目，各中小河流均安裝了雷達水位計，結合雷達水位計，通過穩定的水位流量關系來進行流量的反推，從而實現流量自動監測，是一種較為行之有效的方式，常用的水位流量單值化方式大都針對大江大河站點，比如落差指數法[14- 15]，在山區型中小河流的應用還較少，此外由于中小河流洪水陡漲陡落，河道洪水沖淤影響大，很難使用適合于大江大河特點的水位流量關系單值化方法進行流量的自動監測。水位流量關系穩定的關鍵在于通過動態改正水位，使得其水位流量關系趨于穩定，從而實現流量的自動監測。

1 改正的動態水位方法

改正動態水位法適用于受經常性沖淤但變化比較均勻緩慢的測站，其水位—流量關系線變化有規律，向一方移動或線形多年變化不大。

將復雜的水位流量關系曲線，進行單值化處理。制定出一條標準的水位流量關系曲線，逐時水位通過改正，即可在標準曲線上直接推流，見改正動態水位法示意圖(如圖1所示)。

圖1 改正動態水位法示意圖

該方法的主要步驟為：

(1)結合歷年水位—流量關系曲線繪制其標準曲線；

(2)在標準曲線制定基礎上，對其水位改正數進行計算:ΔZ=Z-Zm；

(3)點繪水位改正數過程線；

(4)結合水位推求流量。

2 實例應用

2.1 站點概況

石城水文站是愛河上游的控制站，位于鳳城市石城鎮保安村，東經124°20′，北緯40°42′，集水面積1464km2。本站始建于2013年12月，由鐵佛寺(二)站基本水尺斷面下遷6270m而來，國家基本水文站，區域代表站，三類流量精度站，流域雨量站點、水系分布如圖2所示。石城站測驗河段順直長約1500m，流心靠近河心，左岸為干砌石護坡，右岸為細沙緩坡。基本水尺斷面左岸上游180m處有一小河匯入，253m處有保安大橋，高水時有阻水作用。低水時，基本水尺斷面流速微小，需借用斷面測流。河底多為粗砂卵石，斷面穩定，不易沖刷。該站所在的愛河上游為典型的濕潤地區山區性河流，洪水期水位暴漲暴落，水位變幅很大，降雨、徑流量多集中于汛期。

圖2 石城水文站內站點、水系分布

2.2 水文測驗方式

石城水文站枯水期在基本水尺斷面下游300m臨時測流斷面施測流量，涉水渡河，采用流速儀懸桿懸吊施測垂線流速，直接量距法(米繩)測距，測深桿測深。低水、中水在基本水尺斷面下游253m橋上施測，水文橋測車橋上渡河，采用流速儀懸索懸吊施測垂線流速，橋上固定標志法測距，懸索鉛魚測深。高水考慮洪水流速過大及人員安全等問題，采用浮標法測流。按斷面形狀均勻布設測速垂線，垂線數目應滿足流速儀常測法要求最少垂線數目。根據流速測點位置對水深的適應要求確定垂線流速測點數。由于中高水水位漲落變化急劇，適當減少測點數及測速歷時，縮短測流歷時，用于減少水位漲落差過大對流量成要精度的影響。

2.3 數據處理

為了簡化展示水位流量關系線的改正過程，首先對將原始測量資料進行處理，去除和改正錯誤的點次，并對數據點進行平滑順直處理。處理后的水位流量點次見表1。

表1 校正后的測點數據表

2.4 標準曲線的繪制

在圖上繪制出各測點，通過直接定線法定出一條標準曲線，水位流量關系線見表2，歷年水位流量關系線及標準曲線如圖3所示。

圖3 石城站歷年水位—流量綜合線及其標準曲線

標準曲線是通過對石城站歷年水位—流量關系曲線制定的基礎上，通過對其水位—流量關系曲線進行綜合分析，計算每年(次)關系線與綜合線各級水位的面積相對偏離百分數(A年-A綜)/A綜×100%。分析高、中、低各級水位斷面穩定程度(最大相對偏離百分數絕對值(即外包線)小于3%屬穩定，3%至6%屬較穩定，大于6%屬不穩定)，并計算各級水位相鄰測次或年份(即年內或年際間)面積相對偏離百分數(A本-A上/A上×100%)，點繪斷面面積變化過程圖(即中水水位級的相鄰測次或年份面積相對偏離百分數與時間關系圖)，分析斷面沖淤年際變化屬經常性沖淤還是不經常性沖淤，分析斷面歷年變化趨勢及規律。根據《水文巡測規范》，水位流量關系標準化處理后點較為密集，分布呈帶狀，并無明顯偏離，系統誤差絕對值一類精度水文站不大于1%，二、三類水文站不大于2%，且實測關系點據與關系線的定線誤差符合允許誤差指標者，可定其標準曲線。

2.5 水位動態改正過程線

計算對應同一流量的每一實測點水位與標準曲線水位的差值ΔZi，并繪制水位改正數過程線ΔZ—t(注意ΔZi符號的選擇，若測點在標準曲線上方，則ΔZi為負值，反之為正值)。水位改正數結果見表3和水位改正數過程線見圖2。

結合水位改正過程線，通過對實測水位進行改正，應用實測水位減去改正水位值，得到改正的水位，通過石城站水位改正過程線對不同時刻水位進行改正，從水位改正過程線可看出，當水位較地的區域，主要位于5～10點位處，主要對其水位進行正向校正，這段時間由于水位較低，斷面沖淤變化較小，因此采用正向校正對其水位適當進行動態調整，而隨著水位的不斷增加，其水位改正數逐步減

表3 石城站水位改正數表

圖4 石城站水位改正過程線

小，當位于15點位時，水位改正數達到最低，此時不需要對水位進行相應調整。隨著水位的不斷增加，高水位下河段沖淤變化影響加大，此時采用負向水位改正數對其進行動態調整，降低水位值，使其和斷面流量受斷面沖淤變化影響程度有所降低，負向水位改正數逐步減小，當位于30點位時，水位改正數逐步趨于最低點，此時屬于斷面水位—流量關系最為穩定的階段。

3 流量精度檢驗

3.1 流量精度檢驗方法

3.1.1誤差表達方式應符合規定

(1)水文站應按不同精度類別，分水位級進行各項誤差分析。

(2)水位流量關系線的定線誤差，以置信水平為95%的相對隨機不確定度表示，系統誤差以相對誤差的均值近似估算。

(3)水位流量關系線間的并線誤差、流量間測的水位流量關系線偏離誤差、各種時段總量的誤差和系統誤差以相對誤差表示。

3.1.2誤差計算公式

(1)流量相對誤差可按下式計算：

(1)

(2)相對誤差的均值可按下式計算：

(2)

3.2 精度檢驗結果

通過計算各水位節點對應歷年流量值與綜合線對應流量進行對比，石城站站各水位節點對應歷年流量值與綜合線對應流量誤差計算結果見表4。

在選用精度驗證數據時，資料選取的原則為根據該站歷史資料按年徑流量進行排頻，選取頻率20%、50%、80%作為對應豐、平、枯水年，在近5年資料中選擇與豐、平、枯水年徑流相當的3年資料(盡可能選最近年份)進行分析，其中必須有一年實測流量的水位變幅占歷年水位變幅的80%以上。從石城站各水位節點對應歷年流量值與綜合線對應流量誤差計算結果可看出，現誤差均在正負10%，那么綜合水位流量關系線能滿足汛期報汛使用，改正水位法為改正后水位流量關系直接定線，

表4 石城站各水位節點對應歷年流量值與綜合線對應流量誤差計算結果 單位：%

其定線誤差應滿足場次洪水的定線要求。按照該方法每年可按水位級均勻布設流量測次，實行巡測。全年暢流期流量巡測測次不少于15次，實測流量相應水位變幅應控制當年水位變幅的70%。年最高、最低水位附近處應有流量測次。

4 結語

(1)本文方法的關鍵在于水位—流量標準曲線的制定，因此應選取頻率20%、50%、80%作為對應豐、平、枯水年，在近5年資料中選擇與豐、平、枯水年徑流相當的3年資料(盡可能選最近年份)進行分析，其中必須有一年實測流量的水位變幅占歷年水位變幅的80%以上；

(2)在對高水、低水水位流量關系線進行延長處理時，高水部分延長方法可選擇順勢延長法、曼寧公式法、謝才系數法、參照歷年線趨勢法，而低水部分延長方法如順勢延長法、斷流水位控制法。

(3)不同水位級下其水位—流量關系影響因素不同，在以后的研究中還需劃分不同水位進行研究。