庫魯克欄桿水文站水面流速系數率定方法及影響因素分析

李志峰

(新疆喀什水文勘測局，新疆 喀什 844000)

庫魯克欄桿水文站位于葉爾羌河的上游，克勒青河、塔什庫爾干河、提孜那甫河是新疆第三大河葉爾羌河的主要支流[1]。葉爾羌河流域面積為9.89萬 km2，河流總長度為1 165 km。庫魯克欄桿水文站在1992年向下游進行斷面遷移，遷移距離為1.5 km[2]。按照《河流流量測驗規范》(GB50179-2015)要求，斷面進行遷移后需要對水面流速系數進行率定，從而滿足水文測驗的精度要求[3]。葉爾羌河上游河道坡度較大，洪水主要由冰川潰壩和冰川洪水組成，當冰川融雪洪水產生時，流域洪水上漲速率較快[4]。當超過測流能力尤其是河道漂浮物較多的情況下，需要對流速系數進行率定，滿足高洪測驗的精度要求[5]。對于流速系數率定主要為經驗方法和公式法兩種[6]。目前，通過研究對比觀測試驗即經驗法是較為行之有效的流速系數率定方法。因此本文通過對比觀測試驗，對庫魯克欄桿水文站流速系數進行率定，用于中高水時該站點中泓浮標測驗。

1 庫魯克欄桿水文站概況

庫魯克欄桿為葉爾羌河上游干流主要控制水文站，為國家基本水文站，其地理位置為東經76°13′以及北緯37°14′，庫魯克欄桿設站年份為1959年6月，和下游卡群站之間的距離為112 km，水文站以上集水面積為32 280 km2。庫魯克欄桿水文站由于測驗進行了站點遷移，新的水文測驗斷面距離上游原有斷面1.5 km。水文站常規測驗項目為流量、泥沙、降水量、冰情以及水溫觀測。庫魯克欄桿水文站年最大降水量出現在1998年，降水量為178 mm,降水量最小值出現在1961年，為48.3 mm，降水時空分布十分不均勻，夏季降水占比全年降水量約為37.5%～63.1%之間。徑流年內分布差異度較大，水量主要集中在6-8月份，占全年的比重高達80%以上，葉爾羌河屬于典型冰川徑流補給性河流。庫魯克欄桿水文站測驗河段。

2 試驗方法及要求

2.1 試驗要求

(1)進行流速系數的率定主要通過比測試驗進行，由于中高水時洪水流速較大且有較大的波浪，水流攜帶的漂浮物也較多，對測流影響較大，因此在進行比測試驗時需要進行多種水流條件的分析。在進行比測試驗時流速儀和秒表要進行校正和檢驗后使用，要滿足測流精度的要求。

(2)浮標的中斷面需要與流速儀測流斷面重合，水文站常測位置和測速垂線的位置要保持一致，在進行高水對比觀測時，可以適當增加測速垂線以滿足精度要求。

(3)基本水尺水位要在測流起始進行分別讀取，若水位的峰值和谷值跨過測流時間時，則需要各觀測水位一次在水位峰頂和峰谷時，從而水位測定的準確性可得到有效保證。庫魯克欄桿水文站水面較寬，測驗斷面水面寬度約為50 m，水深均值相對較小，河流水流較為集中，中泓為其主流，因此在對比觀測試驗時，應以中泓作為其主要水流進行試驗，從而確保試驗數據的代表性。

(4)需要對風向、風速、水流流向、漂浮物以及測驗斷面上下游水流情況進行記錄，以分析不同試驗條件對流速系數率定精度的影響。一般為避免風速和風向對對比觀測試驗的影響，盡量在晴好天氣進行試驗，降低風速和風向對流速率定的影響。選擇中弘主流作為水流流向，保證其試驗數據的代表性。

2.2 試驗方法

(1)由于庫魯克欄桿在中高水時候表面流速較大，且出現大洪水時候上游水流攜帶的漂浮物較多，此外由于庫魯克欄桿水文站測驗斷面水面寬度較大，水流較急，對比測試驗投放浮標的影響程度較大，試驗浮標采用木制十字架進行制作，并在浮標上懸掛氣球以免浮標不能被正常觀測，在試驗時采用人工投擲方式進行浮標的投放，每個浮標投放的間距保持在10 m范圍內，每次對比觀測試驗選用浮標數為3～5個，為降低浮標水深的影響誤差，在浮標制作時盡量保證每個浮標具有均衡的重量，從而降低浮標重量影響誤差。

(2)安排1個人專門負責浮標的投放，上下游斷面各有1人負責浮標達到后的時間記錄，中斷面安排1人對水位進行觀測，另外安排一個人負責記錄浮標通過中間斷面的起點距和浮標經歷時間。

(3)每此浮標試驗時間可以精確到0.1 s，每個浮標投放的間距可以精確到0.1 m，對水深和起點距一般進行實測，若水深實測較為困難，斷面面積可采用相鄰測次水深進行借用。

2.3 流速系數率定計算方法

選擇運行時間最長和最短2～3個浮標，各浮標之間的時間差低于10%，作為最大水面流速的計算依據。首先對投放浮標進行流速計算，在最大水面流速(平均虛流速)進行計算。斷面流量采用流速儀測定的垂線流速和纜道計算的斷面水深，將斷面計算流量和斷面面積相除可以得到測驗斷面的平均流速，流速率定系數的計算方程為：

K=V平均/V浮標

(1)

方程中K表示為流速率定系數；V平均為采用流速儀進行測驗的斷面平均流速(m/s)；V浮標為采用浮標最大水面流速(m/s)。

3 庫魯克欄桿站比測試驗

3.1 比測數據情況

從 6月中旬到8月下旬進行對比觀測試驗，各觀測試驗15組數據， 按照流量高于800 m3/s作為高水流量，流量在100～800 m3/s作為中水流量，流量低于100 m3/s作為低水流量，基于以上流量的劃分，在相對應的高、中水進行比測。通過比測分析，見表1，庫魯克欄桿水文站最大浮標水面流速為7.2 m/s，水面流速最小值為0.6 m/s，采用流速儀進行測驗的斷面平均流速最大值為4.8 m/s，測驗的斷面平均流速最小值為0.4 m/s。并對不同比測測次的斷面平均流速和浮標最大水面流速進行相關性分析，見圖1。

表1 庫魯克欄桿比測試驗流速系數率定結果

圖1 庫魯克欄桿水文站比測流速相關關系

從比測流速系數分析結果可看出，各試驗測次數據均在誤差范圍內，通過對比可看出，各比測測次下流速率定系數都由一個較為接近的系數值，表明不同比測試驗數據中流速率定系數具有一定的相關性和規律性，可用于庫魯克欄桿水文站中泓流速系數率定值。通過取各組流速系數率定均值，庫魯克欄桿水文站中泓流速系數率定值為0.62。從流速相關關系可看出，比測流速之間的相關系數為0.989 6，表明庫魯克欄桿水文站斷面平均流速和浮標水面流速具有較好的相關性，且整個相關線沒有出現明顯的偏差。通過對相關線斜率可看出，相關方程斜率為0.62。

3.2 誤差檢驗分析結果

按照河流流量測驗規范(GB50179-2015)要求，對庫魯克欄桿水文站進行流速率定系數相關曲線進行誤差檢驗分析，從而分析流速率定系數的相關曲線是否可滿足水文站測驗精度要求，誤差檢驗結果見表2。

表2 庫魯克欄桿水文站流速率定曲線誤差檢驗結果

從誤差和檢驗結果可看出，庫魯克欄桿水文站15組比測試驗數據中的平均相對偏差為2.31%。符號檢驗u值經統計分析為0.54，滿足符號檢驗u值低于1.15的誤差檢驗要求。適線檢驗u值經統計分析為0.23，滿足適線檢驗u值低于1.28的誤差檢驗要求。從偏離值檢驗結果看出，庫魯克欄桿水文站15組比測試驗數據偏離值檢驗u值為0.05，可滿足偏離值檢驗低于1.33的的誤差檢驗要求。綜上按照河流流量測驗規范(GB50179-2015)三種誤差檢驗要求，表明庫魯克欄桿水文站流速率定系數取值為0.62具有合理性，可滿足測驗精度要求。

4 流速系數率定比測影響因素

(1)統一浮標制作的型式和材料。應按照統一規范要求對浮標進行材料的選用，可選用木材、塑料泡沫作為浮標制作的主要材料，并按照區域實際區域，以方便投放、形狀較為穩定進行浮標型式的制作，按照不同水力條件和不同區域進行流速率定系數的比測試驗。通過大量的比測試驗數據，綜合不同影響因素，選擇1～2種浮標與水流流速較為相似作為最終的選用浮標標志物。通過對新疆其他區域測驗實際工作中可發現這種做法下可有效降低不同浮標之間的性能差異，從而降低不同性能浮標下的測驗影響誤差，從而提高比測試驗的精度和數據的可靠性。

(2)更加注重浮標測驗下的實際應用成果。確保浮標測流精度的關鍵因素是對流速系數率定的準確程度，無論是采用中泓浮標系數還是采用全斷面浮標系數進行測驗，均需要從水文站進行比測試驗分析中進行總結。對于斷面上下游河床發生明顯變化或者新建水文站點，都應該制定中泓法和全斷面法的浮標系數比測試驗計劃，一旦洪水條件滿足試驗需求，就可以開展比測試驗分析，通過大量的比測試驗數據分析后，按照河流流量測驗規范(GB50179-2015)要求確定適合于該站點的浮標系數數據系列，從而保障該站點浮標測流的精度。

(3)浮標需要精準投放。浮標投放方式對其流速系數率定影響較大。因此在有條件的水文站點盡可能采用水文纜道進行不同起點距浮標的準確投放，從而提高浮標比測試驗系數率定的精度。從外如果比測站點上游由棧橋，可以在橋上進行人工浮標的投放，但由于橋墩紊流和回流影響，其浮標投放的效果要低于水文纜道的投放效果。

5 結語

(1)經過比測試驗分析，庫魯克欄桿水文站流速率定系數取值為0.62具有合理性，可滿足測驗精度要求；

(2)庫魯克欄桿水文站斷面平均流速和浮標水面流速具有較好的相關性，當庫魯克欄桿水文站流量高于800m3/s，中泓浮標系數建議采用值為0.62，若發生大洪水，可進行20%曲線外延對流量值進行查用。

(3)建議中高水時可采用本文率定的中泓浮標系數進行測驗，而低水時由于流速垂線梯度變化較小，則浮標系數變化較大，不建議使用。