新疆卡拉蘇（四）水文站水面、半深流速系數(shù)分析

周海龍

（新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇水文勘測(cè)局,新疆 阿克蘇 843000）

1 概況

卡拉蘇（四）水文站設(shè)立于1956 年4 月,屬國(guó)家基本水文站,位于新疆阿克蘇拜城縣亞吐爾鄉(xiāng)龍口村,是渭干河支卡拉蘇河下游的區(qū)域代表站,流域?yàn)閮?nèi)陸河湖,水系為天山南坡諸河,集水面積1350 km2,河長(zhǎng)107 km,距河口25 km。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有水位、流量、水溫、氣溫、降雨、水質(zhì)、普通測(cè)量等。

測(cè)驗(yàn)斷面河床由大石塊、卵石夾砂組成,沖淤變化不大。測(cè)驗(yàn)河段基本順直,長(zhǎng)約1km,為寬淺式河槽,中、高水主槽寬約100 m~160 m。低水位時(shí)由于水利施工水流集中在左岸,中、高水位時(shí)水流集中,無回水、死水情況。左右岸為人工護(hù)岸,不易沖刷。基本水尺斷面有一座224 m的混凝土渡槽橋,為井柱橋墩,對(duì)測(cè)驗(yàn)有一定影響,斷面附近無水草和支流匯入。測(cè)驗(yàn)方法為橋測(cè),使用測(cè)流車懸掛30 kg~50 kg鉛魚施測(cè)流量,中高水測(cè)驗(yàn)會(huì)受水位漲落率及漂浮物等條件的限制。

2 測(cè)流方案分析

水面流速系數(shù)是影響測(cè)驗(yàn)精度的重要因素。2021 年,采用3點(diǎn)法對(duì)卡拉蘇（四）水文站施測(cè)了30 次流量,測(cè)驗(yàn)方案均按照《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）要求執(zhí)行,對(duì)卡拉蘇（四）水文站水面流速、半深流速系數(shù)進(jìn)行分析確定。在試驗(yàn)分析前,卡拉蘇（四）水文站水面流速、半深流速系數(shù)分別采用經(jīng)驗(yàn)值 0.85、0.94。

當(dāng)遇到大洪水水位漲落急劇、洪峰歷時(shí)短、枯期水位較低、流速較小等特殊水情時(shí),常采用水面一點(diǎn)法測(cè)流。特別是中高水測(cè)驗(yàn)會(huì)受水位漲落率及漂浮物的影響,測(cè)驗(yàn)工作非常困難,一旦測(cè)驗(yàn)過程中測(cè)流車懸索與漂浮物發(fā)生碰撞,不僅影響測(cè)驗(yàn)歷時(shí)和精度,嚴(yán)重的還會(huì)對(duì)人員和車輛安全造成威脅。所以在滿足測(cè)驗(yàn)精度的前提下,宜本著安全、實(shí)用的原則,根據(jù)實(shí)際情況,綜合權(quán)衡確定中高水時(shí)采用簡(jiǎn)測(cè)法進(jìn)行測(cè)流,這就對(duì)測(cè)流系數(shù)精度提出了高要求。

3 測(cè)流方案及施測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.1 測(cè)驗(yàn)方案

卡拉蘇（四）水文站低水時(shí)采用測(cè)桿涉水施測(cè),中高水時(shí)使用水文測(cè)流車懸掛LS25-1 型流速儀一點(diǎn)法（0.0、0.6）施測(cè)。根據(jù)垂線水深的大小, 布設(shè)不同數(shù)目的流速測(cè)點(diǎn)。采用鉛魚或測(cè)桿測(cè)量水深,儀器放至測(cè)點(diǎn)時(shí),要使儀器轉(zhuǎn)軸中心或軛架中線偏離各測(cè)點(diǎn)的偏距不大于0.1 m水深。施測(cè)水面流速時(shí),流速儀旋轉(zhuǎn)部分不應(yīng)露出水面。施測(cè)相對(duì)水深0.8處流速時(shí),應(yīng)滿足流速儀旋轉(zhuǎn)部分的邊緣離開河底2 cm~5 cm。

3.2 測(cè)速垂線布設(shè)

LS25-1測(cè)速范圍低于臨界流速Vk低速部分,查該流速儀低速V~n曲線圖。為了克服流速脈動(dòng)對(duì)測(cè)速成果精度的影響,每個(gè)測(cè)點(diǎn)上的測(cè)速歷時(shí),不應(yīng)小于100 s。測(cè)速垂線均勻分布,并能控制斷面地形和流速沿河寬分布的轉(zhuǎn)折點(diǎn),主流和河灘水流相接處必須設(shè)置垂線,主河槽垂線布設(shè)較灘地較密；考慮橋測(cè)橋上測(cè)驗(yàn)時(shí)橋墩對(duì)水流的影響,橋墩附近不布設(shè)垂線,避開橋墩附近紊流區(qū)域；洪峰前后斷面有顯著變化時(shí),應(yīng)實(shí)測(cè)一次斷面,以便掌握河底變化情況,有利于重新布設(shè)測(cè)速垂線。

4 流速系數(shù)分析

4.1 水位級(jí)劃分

卡拉蘇（四）水文站年來水量較小,考慮河流特性、水文站測(cè)洪能力及影響水位變化的各種要素,選取2017年~2021年近五年資料,根據(jù)汛期逐日最高水位,計(jì)算頻率并繪制頻率曲線,取頻率P為10%、50%、90%所對(duì)應(yīng)的水位為高、中、低水位1391.16 m、1390.23 m、1389.24 m。

4.2 流速系數(shù)分析

本次分析采用卡拉蘇（四）水文站2021年5月~2021年8月流量測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)30個(gè),水位變幅 1388.89 m~1391.53 m,流量測(cè)次基本包含了高、中、低水位。本次率定采用精測(cè)法（三點(diǎn)法）與簡(jiǎn)測(cè)法（一點(diǎn)法）進(jìn)行分析,即將精測(cè)法計(jì)算的流量與簡(jiǎn)測(cè)法計(jì)算的流量進(jìn)行對(duì)比值,得出水面系數(shù)和半深系數(shù)。考慮到實(shí)際工作中使用0.6一點(diǎn)法施測(cè)流量,將水面、半深系數(shù)分別與精測(cè)法和0.6一點(diǎn)法二者對(duì)比相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)精測(cè)法和0.6一點(diǎn)法相關(guān)性較好,比值接近。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、表2。

表1 卡拉蘇（四）水文站流速儀水面流速系數(shù)率定表

續(xù)表1

表2 卡拉蘇（四）水文站流速儀半深流速系數(shù)率定表

續(xù)表2

4.3 相關(guān)分析

采用水面、半深虛流量與實(shí)流量（精測(cè)法）作相關(guān)分析,見圖1、圖2。從圖中可看出,虛流量與實(shí)流量相關(guān)關(guān)系較好,水面、半深相關(guān)系數(shù)分別為 0.9998、0.9999,計(jì)算得水面流速、半深流速系數(shù)為0.84、0.93。

圖1 水面流速與垂線平均流速相關(guān)圖

圖2 相對(duì)水深0.5流速與垂線平均流速相關(guān)圖

4.4 流速系數(shù)隨水位變化分析

分析流速系數(shù)隨水位變化的規(guī)律,建立各次流量水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)與水位的關(guān)系圖,見圖3、圖4。從圖中可以看出,水位在1388.89 m~1391.53 m區(qū)間,水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)分布在均值0.84、0.93附近,隨水位變化無明顯的增加或減小趨勢(shì)。認(rèn)為流量測(cè)驗(yàn)系數(shù)隨水位的變化不明顯,在不同的水位級(jí)水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)均可取固定值0.84、0.93。

圖3 相對(duì)水深0.0流速系數(shù)與水位關(guān)系圖

圖4 相對(duì)水深0.5流速系數(shù)與水位關(guān)系圖

4.5 成果應(yīng)用分析

2021年卡拉蘇（四）水文站水位流量關(guān)系曲線有2 條,三種檢驗(yàn)計(jì)算分別得出：1 線標(biāo)準(zhǔn)差1.5%,隨機(jī)不確定度3.0%,系統(tǒng)誤差0.5%；2 線標(biāo)準(zhǔn)差2.1%,隨機(jī)不確定度4.2%,系統(tǒng)誤差-0.7%,三種檢驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)范要求。

利用水面和半深虛流量乘以流速系數(shù)推得的流量,對(duì)水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行三種檢驗(yàn),分別得出如下結(jié)果：1號(hào)~20號(hào)流量水面標(biāo)準(zhǔn)差1.5%,隨機(jī)不確定度3.0%,系統(tǒng)誤差：0.5%；21號(hào)~30 號(hào)流量水面標(biāo)準(zhǔn)差1.8%,隨機(jī)不確定度3.6%,系統(tǒng)誤差：0.2%；1號(hào)~20 號(hào)流量半深標(biāo)準(zhǔn)差2.1%,隨機(jī)不確定度4.2%,系統(tǒng)誤差-0.7%；21號(hào)~3 號(hào)流量半深標(biāo)準(zhǔn)差1.6%,隨機(jī)不確定度3.2%,系統(tǒng)誤差0.2%。各項(xiàng)指標(biāo)均未超過允許范圍,說明所率定的水面系數(shù)、半深系數(shù)0.84、0.93是合理的。

5 結(jié)語

通過對(duì)2021年30個(gè)實(shí)測(cè)樣本分析計(jì)算,直接比值得出水面、半深均值系數(shù)為0.82、0.94；經(jīng)相關(guān)分析,得出水面、半深系數(shù)0.84、0.93；二者基本一致,水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)具有代表性,成果質(zhì)量可靠。用分析系數(shù)成果對(duì)水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行三種檢驗(yàn)進(jìn)行校核,均符合要求,相關(guān)分析法成果更科學(xué),因此卡拉蘇（四）水文站水面流速系數(shù)、半深流速系數(shù)為0.84、0.93。