燕橋水文站水位～流量關系單值化研究與應用

一、基本情況

燕橋水文站位于江蘇省徐州市銅山區三堡鎮董山頭村西側灌溝河南支上，東經117°09′2.5″，北緯34°05′08″，屬淮河流域奎濉河水系。2019年淮委水文局設立為省界斷面水文站，系灌溝河由安徽進入江蘇的省界控制站。

燕橋水文站監測斷面位于燕橋上游170m 處，上游距蘇皖省界700m，其間無支流匯入。河道自西向東流向，河寬33m，河道斷面較規整呈U 形，河底高程27.2m，兩岸地面高程31m。河段堤防較規整，左堤寬2.5m，高程33.8m，左堤外為農田；右堤寬3m，高程33.2m，右堤外為農田。

二、測流設施

土建設施：自記水位臺及觀測踏步、水尺樁、護岸、護坡等。

自動儀器設備：遙測水位、遙測雨量、雷達波流量計等。

人工流量監測：橋測ADCP 及流速儀法測流。

三、該站現行流量監測方法

1.橋測法

采用橋測ADCP 或橋上流速儀法測流，使用連時序法推流，工作強度大、運行成本高、時效性差、易出現人為誤差。

2.雷達波流量計法

雷達波流量計屬非接觸式測速設備，2020年6月1日至7月22日進行人工實測流量與雷達波流量計監測的流量值同步比測。經初步分析該流量計較人工實測流量誤差較大，相關關系散亂，見表1、圖1。流量精度主要影響因素分析：

圖1 燕橋站雷達波流量～人工流量相關圖

（1）風速影響

在無降水、河道無徑流情況下，由于受風速影響，雷達波流量計有較大流量數值記錄，表1中第1～5 測次流量值達24.2m3/s，實際上河道流量值均為0。

（2）斷面沖淤影響

圖2 燕橋站上游堰上水深～流量關系圖

圖3 斷面水位～流量關系圖

由于采用借用斷面，當測流斷面存在沖淤問題時，不能實時訂正斷面變化情況，導致推算流量值存在較大誤差。

（3）其他因素影響

雷達波流量計識別小流速困難，表1所示第38～44 測次流量值在2～5m3/s 區間時，誤差較大；特別是流量小于2.5m3/s 時，雷達波流量計流量值為0。

表1 燕橋站雷達波流量與人工流量對照表

四、流量單值化處理方法探討

1.堰上水深～流量關系

根據該站監測河段水文特征及監測資料，測流斷面以上700m 處京滬鐵路橋下跌水落差2m，可消除下游支流及橡膠壩蓄水頂托等因素影響。在監測斷面流量同時，同步觀讀堰上水深，建立堰上水深～流量關系，關系線的表達式為：

Y=34.17X2+8.4167X-0.8643，R2=0.9927，R=0.9963

根據上式可見，堰上水深～流量單一關系線趨勢明顯，測點離散度較小，見圖2。由于該關系式系列較短，需完善大、中、小、漲落水流量實測數據，待完善資料系列、落實關系線定線與檢驗規范后，方可形成較為完整的流量單值化處理方法。從以上的初步分析結果看，利用堰上水深～流量關系法推算流量的方法，具備簡便易行、監測強度小、精度高、成本低等優點，是較為理想的流量單值化處理方法。

2.斷面水位～流量關系

相關公式Y=6.8833X-185.36，R2=0.8331，R=0.9127，相關性分析：

（1）斷面水位～流量相關系數R=0.91 ＞0.80，具有較好相關性。

（2）斷面水位＜28.5m 且流量＜10m3/s 時，呈單一關系。

（3）流量＞10m3/s 時關系較散亂，主要原因是受下游洪水漲落頂托、橡膠壩蓄水頂托及其他因素綜合影響，導致測點的偏離較大，斷面水位～流量關系呈非單一關系，見圖3。

五、結論

綜上所述，燕橋站流量單值化處理推薦方法有兩個：

方法一：設京滬鐵路橋下堰上水位監測設施，建立堰上水深～流量關系。由于燕橋站上游堰上水深～流量關系消除了下游河道洪水漲落、橡膠壩蓄水頂托等因素綜合影響，具有良好的流量單一關系，因此，通過設堰上水位設施觀測堰上水位，建立堰上水深～流量關系實現流量單值化。

方法二：布設燕橋下游水位監測設施，建立斷面水位～流量關系。由于燕橋橋底板高出河底1m，水流存在縱向收縮，低水時易出現自由式堰流；燕橋系三孔拱橋，過水寬度14.7m，兩岸河口寬度33m，具有縱向和橫向收縮的量水堰特征，因此低水時該斷面水位流量單一關系顯著。中高水時由于受下游洪水漲落及橡膠壩蓄水頂托等因素影響，水位與流量關系離散較大，可通過布設燕橋下游水位設施，監測橋下水位，考慮橋上下游水位差影響，借以解決中高水時該站水位～流量單值化處理問題■