柴坪水文站水位流量關系單值化分析初探

孫學軍

(陜西省商洛水文水資源勘測局，陜西 商洛 726000)

水位～流量關系單值化是對水文測驗方法的改革，解放了生產勞動力，減輕了測站一線工作強度，也是改善職工工作方法的有效途徑。對需要實行巡測的水文站，必須在已有水文資料的基礎上，按現行的行業標準《水文巡測規范》(SL 195-2015)進行單值化分析。《水文巡測規范》雖然對單值化分析提出一些技術要求和控制指標，但具體到一個測站如何進行分析卻沒有具體操作的程序。通過對柴坪水文站水位～流量關系單值化分析的實例，對單值化工作進行摸索，逐步達到實現巡測的目的。

1 河流水系

旬河是漢江在秦嶺南坡的一條主要支流。河長218.1 km，有“八百里旬河”之稱，由旬陽縣城附近流入漢江，流域面積為6308.9 km2。在鎮安境內流域面積1764.4 km2，比降3.96‰，長度57.0 km。

發源于寧陜縣境內沙溝鄉的甘溝腦，上游稱沙溝河。干流呈西北—東南向，與地層走向呈正交或斜交，基本上屬于峽谷，沿河兩岸山大、溝深、坡陡，上游河谷較窄，下游較寬。

支流較多，其中，長度在25 km以上的支流有8條；流域面積在100 km2以上的支流有9條；長度在10 km～25 km的干溝有21條；長度1 km～10 km的支流有579條。主要支流有：東川河，流域面積396 km2，比降31.5‰，河道長度43 km。沙溝河，流域面積106.0 km2，比降45.6‰，河道長度30 km。月河，流域面積428 km2，比降26.9‰，河道長度62 km。小仁河，流域面積199 km2，比降31.9‰，河道長度44.8 km。達仁河，流域面積391 km2，比降21.9‰，河道長度60.8 km。河床多為粗沙、卵石。

多年平均徑流量為107428萬m3，年平均流量27.0 m3/s，年平均輸沙量91.8萬t，年平均含沙量1.08kg/m3，年平均降水量797.2 mm。

2 資料選用

本次單值化分析選用柴坪水文站2010年～2016年實測資料共7年連續系列，共645個樣本系列，另選用了2002年高水資料(9次)對單值化線進行了延長。

選用資料情況統計見表1。

表1 2010年～2016年資料系列選用情況統計表

3 分析方法

按照《水文巡測規范》水位～流量關系為單一線的測站，可根據豐水年、平水年、枯水年的多年綜合水位～流量關系曲線，以高水位、中水位、低水位分組，從各組中按照水位分級關系抽取實測關系數據，并定成水位～流量關系曲線。進行定線誤差分析，三項檢驗，然后用這些水位～流量關系曲線推算各種時段量與精簡前歷年綜合水位～流量關系曲線推算的各種相應時段量，相比既可求得該精簡測次數各種時段量的隨機數據系列，并進行誤差分析。

3.1 流量測次精簡原則

根據《水文巡測方案》實行巡測的水文站，水位～流量呈單一線，應根據水流特性，測站控制條件、測驗精度，定線推流要求。

3.2 相對誤差計算方法

流量相對誤差按照《水文巡測規范》4.4.6規定:

(1)

相對誤差均值按照下式計算：

(2)

3.3 相對標準差計算方法

(3)

(4)

置信度水平95%的相對隨機不確定度應按式(5)計算：

X=2Se

(5)

式中：Se為相對標準差，%；X為相對隨機不確定度，%。

3.4 時段總量的推流誤差計算

(6)

式中：W為采用分析簡化的關系線推求的時段總量，104m3或108m3；WC為采用與推求W相應的分析簡化前的原定關系線推求的時段總量，104m3或108m3；δw為W與WC的相對誤差，%。

4 資料單值化分析

按《水文巡測規范》規定，水位～流量關系點據密集，分布呈帶狀，并無明顯偏離，系統誤差的絕對值二、三類精度的水文站不大于2%(各類精度的水文站的比降—面積法定線系統誤差可放寬1%)，且實測關系點據與關系線間的定線誤差不大于表2允許誤差者，可定單一線[2]。

表2 單一線允許隨機不確定度

依據《水文巡測規范》4.4.3條文，應用連續5年以上的資料系列，包括豐水年、中水年和枯水年的水文資料；在各級水位用于計算誤差的樣本數量不應少于30個。若高水樣本數不足30個，但高中水位級之間資料連續平緩變化的，可把高、中水合并統計[3]。

4.1 綜合線成果(2010～2016)年

本次分析選用2010年～2016年柴坪水文站實測資料，應用連續7年連續資料合并定線進行分析。

柴坪站水位Z≥8.97 m，Q≥100 m3/s時，經過合并定線滿足要求，范圍在(100 m3/s～2600 m3/s)之間關系穩定，大于2600 m3/s由于測點較少，與2002年大水資料不在一個系列，建議Q≥2600 m3/s時應加密測次獲取高水的樣本資料。

經分析Q≥100 m3/s，擬定綜合單一線，經檢驗通過，僅有4次超過13%，最大15.3%，系統誤差0.1%、隨機不確定度9.0。經分析均為浮標測驗數據、依據規范可放寬至16%。130 m3/s≤Q時綜合線不能滿足要求；2010年～2013年可定綜合單一線，利用綜合單一線推流分別與2011年、2012年、2013年、2014年比較，逐年或滑動定線分析成果可行性。經分析2011年整編成果與綜合線成果比對，年徑流量誤差0.8%，2012年整編成果與綜合線成果比對，年徑流量誤差0.8%，2013年整編成果與綜合線成果比對，年徑流量誤差4.1%，2014年整編成果與綜合線成果比對，年徑流量誤差0.0%。

2015年、2016年為一個趨勢、Q≥100 m3/s，可單值化定線，Q<100 m3/s，關系較亂，待進一步分析。

水位～面積關系綜合多項式y=-4E-14x5+2E-11x4+2E-08x3-2E-05x2+0.0123x+7.9892回歸方程，相關系數R2=0.9861。

水位～流速關系綜合多項式y=-0.0018x4+0.1196x3-0.4309x2+1.1897x+7.9443回歸方程，相關系數R2=0.9763。

4.2 滑動定線(3年滑動定線成果分析)

本次分析采用2010年～2016年柴坪水文站實測資料，應用連續3年連續資料逐年滑動，資料總年數不變的方法進行分析。

經水位～流量關系單值化方法處理后關系點據分布呈帶狀，系統誤差的絕對值一類精度的水文站不大于2%，二類、三類精度的水文站不大于3%，且單值化處理的關系點據與單值化關系線間的定線誤差不大于表3允許誤差，可定單值化關系線[3]。

依據規范應用2010年～2012年，2011年～2013年、2012年～2014年聯系三年數據分析，可定單一線其中2010年～2012年、2011年～2013年為一條線，滿足單一線要求；2012年～2014年為一個系列(低水略有調整)，滿足單一線要求；2015年、2016年受河槽控制、沖淤變化等綜合因素影響，小于100 m3/s流量不能滿足單一線要求。

5 結論

柴坪站測驗斷面相對穩定，分析年2010年～2016年，2010年～2016年斷面穩定，2015年由于修路6月～7月斷面施工圍堰，造成斷面變化，這期間施測流量(31～42次)與以前形成兩個系列。8月份以后修路停止，隨著河流漲水，斷面逐漸恢復原來面貌，所施測的流量也漸漸回歸到原系列。

資料選用：2010年～2016年7年實測流量資料，2002年Q≥500 m3/s資料作為參考，延長綜合曲線，不做不確定度計算。

最大實測流量2011年水位12.29 m、流量2020 m3/s，2002年水位15.15 m、流量4560 m3/s。

由于2015年6月～7月河道內修建水位塔，斷面修圍堰，當年31～42次流量偏小，不是同系列，舍去。

柴坪站綜合關系線穩定，Q≥100 m3/s為綜合單一線，最大誤差在15.3%；Q<100 m3/s，多年綜合點子較散亂，汛前汛后分叉，呈掃把形，主要由斷面沖淤造成。

1)柴坪站在Z≥8.97 m，Q≥100 m3/s時，按綜合關系線推流，每年不定期實測4～5份流量檢驗綜合線。

2)柴坪站在Z<8.97 m，Q<100 m3/s時，應再進行分析率定；

3)Q≥2600 m3/s時，洪水出槽，考慮利用天然中弘浮標，洪水調查分析綜合得出。

4)流量大于100 m3/s時可測取3～5個點子對綜合線進行校核，若實測流量點子系統較大偏離綜合線，應立即恢復正常測驗，重新率定修正綜合關系線。