長沙水文站電波流速儀高洪方案比測分析

2020-11-12 09:32:16梁文勝

湖南水利水電 2020年5期

梁文勝，梅鹍

（長沙水文水資源勘測中心，湖南長沙 410014）

1 基本情況

1.1 測站基本情況

長沙水文站位于長沙市湘江大道朱張渡下游80 m，東經(jīng)112°58′，北緯28°11′，距河口60 km，集水面積83 020 km2。測驗河段由橘子洲頭分為左分河、右主河。上游4 000 m 以上建有猴子石大橋，下游2 370 m 處建有桔子洲大橋。主河床由卵石夾沙組成。左岸為花崗石護堤，右岸為鋼筋混凝土防洪墻。基下18 m 處有自記水位井一座，警戒水位36.00 m，保證水位38.37 m，水位達37.80 m 左右時桔子洲開始漫灘。長沙水文站為一類精度站。歷年最低水位24.63 m（凍結(jié)基面），歷年最低水位24.63 m，歷年最高水位39.51 m（凍結(jié)基面），2019 年最高水位38.35 m。

1.2 比測儀器

本次比測的儀器為Decatur 手持式電波流速儀。長沙水文站采用Workhouse R5 型ADCP 實測流量成果。R5 型平面相控陣變頻智能ADCP 采用頻率合成技術(shù)，根據(jù)水深變化自動調(diào)節(jié)工作頻率、自動調(diào)節(jié)剖面單元大小，以適用大范圍水深變化的測流斷面。

2 比測目的和內(nèi)容

長沙水文站為湘江一類精度水文站，日常水文測驗項目為：水位、降水，流量項目根據(jù)防汛抗旱要求進行施測。長沙水文站常規(guī)流量測驗方法為ADCP 測流，正常情況下可以進行湘江流量測驗。為確保高洪時段ADCP 等常規(guī)流量測驗方法無法進行的情況下，長沙水文站能及時施測流量，為防汛工作提供及時準確的水情信息，制定了長沙水文站高洪流量測驗方案。該方案采用電波流速儀在猴子石大橋上施測湘江表面流速，計算斷面虛流量。通過同步實測流量與虛流量建立相關(guān)關(guān)系，率定斷面虛流量系數(shù)，由虛流量與虛流量系數(shù)之積，求得湘江長沙站流量。

3 流量測驗方案

1）ADCP 測流方案

由于長沙水文站基本水尺斷面為復(fù)式斷面，不適合ADCP 測流。為了提高流量精度，避開瀏渭河和撈刀河入流對湘江流量的影響，ADCP 測流斷面選擇在湘江長沙水文站基下7.5 km（瀏渭河入湘江口的上游400 m 處）。

ADCP 過河方式采用動力船拖拽過河。ACDP 測流計算水位采用長沙水文站水位。

2）電波流速儀測驗方案

電波流速儀高洪斷面位于長沙水文站上游4.2 km（猴子石大橋上游50 m 處）。在高洪斷面起點距為150 m、300 m、450 m、600 m、750 m 處布設(shè)測速垂線。工作人員站在猴子石大橋上，手持Decatur 電波流速儀，面向湘江上游施測表面流速。猴子石大斷面實測成果如表1。

表1 高洪斷面成果表

4 電波流速儀測流情況

2019 年7 月9～19 日，水位從31.72 m 上漲到38.35 m。湘江長沙水文站采用高洪方案測流，用電波流速儀在猴子石大橋斷面共測得洪水過程22 次。

5 長沙水文站流量與電波流速儀虛流量關(guān)系分析

1）電波流速儀系數(shù)分析方法

比測期間繪制長沙水文站實測流量過程線，為了提高長沙水文站流量過程資料的合理性和分析精度，參照上游湘潭水文站實測流量過程線趨勢，對長沙水文站實測流量過程進行修正。

為計算方便，提高高洪測流方案可行性、降低方案難度，高洪斷面電波流速儀流量計算直接采用長沙水文站水位。雖然長沙水文站基本水尺斷面和高洪斷面水位存在一定差值，但由于湘江高洪期間，水面落差小且變幅小，其落差影響反映在綜合虛流量系數(shù)中。

根據(jù)電波流速儀測流時間，查讀長沙水文站連實測流量過程線上的流量。通過建立電波流速儀虛流量和實測流量過程線的同步流量兩者之間的相關(guān)關(guān)系，從而率定電波流速儀綜合虛流量系數(shù)K電。

2）長沙水文站ADCP 測流情況及實測流量過程線修正

7 月9～19 日間，長沙水文站采用走航式ADCP 在湘江長沙水文站基下7.5 km（瀏渭河口上游200 處）實測洪水過程16 次。實測最大流量23 900 m3/s，相應(yīng)水位38.28 m。實測最小流量5 650 m3/s，相應(yīng)水位33.82 m。為了消除測驗誤差，提高長沙水文站分析流量精度，對長沙水文站實測流量過程線中與湘潭水文站的實測過程趨勢不一致的局部流量過程，按湘潭水文站流量過程趨勢進行插補，使兩者趨勢一致。

3）長沙水文站流量與電波流速儀虛流量關(guān)系確定及誤差分析

根據(jù)電波流速儀測流時間，查讀長沙水文站連實測流量過程線上的流量，共得22 組數(shù)據(jù)，見表2。

表2 電波流速儀虛流量和查線流量表 m3/s

點繪長沙水文站高洪方案施測的電波流速儀虛流量和相應(yīng)時間的長沙水文站查線流量數(shù)據(jù)圖發(fā)現(xiàn)，二者之間數(shù)據(jù)呈帶狀。兩組數(shù)據(jù)進行直線擬合，電波流速儀虛流量系數(shù)為0.610 3，其相關(guān)關(guān)系R2為0.982 1。電波流速儀虛流量與查線流量擬合相關(guān)關(guān)系見圖1。

圖1 長沙水文站流量～電波流速儀虛流量關(guān)系圖

誤差分析：ADCP 測流斷面與長沙水文站高洪方案中電波流速儀測流斷面區(qū)間匯入的較大支流僅有龍王港。龍王港流域面積154 km2，占長沙水文站控制流域面積0.19%。本次電波流速儀系數(shù)分析比測采用2019 年7 月9～17 日特大洪水過程的實測數(shù)據(jù)，期間龍王港流域代表站梅溪湖站降雨量29 mm，最大日降雨量13 mm。龍王港流域降水少，受湘江頂托，匯入湘江流量小，故其匯入流量可以忽略不計，可以近似認為電波流速儀測流斷面和長沙水文站ADCP 測流斷面流量相等。

根據(jù)公式Q=0.61×Q虛+7 444，計算電波流速儀流量。將電波流速儀流量與查線流量進行分析，進行三線檢驗，結(jié)果見表3。最大誤差為3.5%，最小誤差為0.0%，標準差2.0%，系統(tǒng)誤差0.0%。電波流速儀流量誤差滿足規(guī)范要求。