丹江水文站水文要素監測方案分析

魏徐濤

（貴州省水利科學研究院,貴州 貴陽 550002）

本文以丹江水文站為背景,對該水文站精測流量測驗進行常測法精簡分析,其研究意義為,總結了該地區水文站采用流速儀測流和ADCP 測流,水文監測采用站隊結合以及水文巡測。該地區水文站屬于國家一類精度水文站,通過對水文站進行頻率分析,得出高水位、低水位以及中水位。根據摘錄的系列資料確定該年水位處于中水水位,制定中水水位的常測法精簡分析。常測法精簡分析通過對測速垂線位置以及相對誤差絕對值二者共同分析對比得出。方案三保留12 條測速垂線精簡方案符合丹江水文站中水水位精簡分析,能夠代替其精測法流量測驗。

1 國內研究進展

我國的水文監測手段已由傳統人工觀測逐步轉向自動化監測,雷達測雨、無人機、遙感遙測等新技術廣泛應用,水位、雨量監測已全面實現自動測報,流量監測中,先進的聲光電新技術新設備正大力推廣。我國在不斷提高水文監測能力,建設水文監測系統,從探索階段到發展階段再到提高階段三步走。利用學習并且引進國外設備,研究先進的水文監測方法和技術,引進美國的設備,并且加以創新進行國產化,通過和國外先進的水文監測設備比較,清楚意識到我國的水文監測技術在精確度、穩定性以及工程技術仍然落后國外的先進技術和測驗能力。

2 降水觀測

水文循環一共有四個過程,分別是蒸發、降水、下滲以及徑流。對于收集水文站的數據,降水這一要素成為了丹江水文站必須觀測的水文要素。降水是云進行降落,除此之外也包括從大氣沉降到地面的液態或者固態的水汽凝結物。降水的形式多樣,主要分為雨、雹、露、霧凇、白霜和霧降水。常用的雨量觀測設備有三種。水文測站最常用的是雨量器、虹吸式雨量計、翻斗式雨量計。

丹江水文站降水觀測設備采用的是翻斗式雨量計和稱重式雨量計,設有雨量觀測場和室內翻斗式雨量計,水文站的觀測人員在每日8 時和20 時分別量取前12 小時的降雨量。摘錄丹江水文站1951年~2014年降雨量平均值,繪制平均降雨量過程線,見圖1。

圖1 丹江水文站歷年平均降雨量過程線

從摘錄的丹江水文站年降水量特征值以及繪制的丹江水文站歷年平均降雨量過程線圖中可知,平均降雨量由高到低排在前五年的分別為 2013年、1968年、1990年、1986年、1959年。

3 水位級劃分

3.1 水位級劃分原理

針對水位級劃分,根據《河流流量測驗規范》（GB 501 79-2015）中相關要求,指出首先要計算出對應頻率,繪制相應的頻率曲線,且水文站按精度分為一類精度和二類、三類精度。

3.2 丹江水文站頻率分析

丹江水文站屬于國家一類精度水文站,根據水位級劃分原理,采用年特征值法進行水位級劃分[1]。按照規范要求,最低摘錄20年的年份,因此摘錄丹江水文站1950年~2014年共65年最高水位、平均水位以及最低水位的系列資料,完全大于20年且符合規范,根據 P-Ⅲ型曲線,運用程序分別計算頻率并繪制三個頻率曲線。以下頻率曲線分別為丹江水文站最高水位頻率曲線、平均水位頻率曲線和最低水位頻率曲線。

（1）最高水位頻率曲線見圖2,其中,適線參數見表1。

表1 適線參數表

圖2 丹江水文站最高水位頻率曲線

（2）丹江水文站最低水位頻率曲線見圖3,其中,適線參數見表2。

表2 適線參數表

圖3 丹江水文站最低水位頻率曲線

以上為丹江水文站頻率分析,根據水位級劃分原理對其進行水位級劃分。

3.3 丹江水文站水位級劃分分析

丹江水文站采用國家一類精度水文站的水位級劃分進行劃分分析,摘錄1950年~2014年共65年的系列資料,運用暢流期水位進行水位級劃分。由上述二個頻率曲線圖,進行反向查詢,得出丹江水文站水位級劃分如下：

（1）當P=90%時,對應高水位=228.3 m；

（2）當P=50%時,對應中水位=224.8 m；

（3）當P=10%時,對應低水位=224.3 m。根據上述計算結果,繪制丹江水文站水位級劃分表格,見表3。

表3 丹江水文站水位級劃分

4 測流方案編制

4.1 測流方案

丹江水文站在運用精測法進行流量測驗的過程中,采用0.2 和0.8 兩點法計算垂線平均流速,從而計算一系列精測值。摘錄的數據為2018年4 月~12 月共25 組流量數據,且水位全部位于中水水位,所以對摘錄的流量數據做中水測驗方案,對16 條測速垂線做精簡分析,分別從精簡前后流量、精簡前后面積以及精簡前后垂線平均流速做分析,共整理三個精簡分析方案,按照常測法最少測速垂線數目的要求,丹江河水面寬介于100 m~300 m 之間,對應精簡后測速垂線數目范圍為7~13 條,則方案一為選定精簡至8 條垂線,方案二為選定精簡至10 條垂線,方案三為選定精簡至12 條垂線。

4.2 合理性檢查

4.2.1 測速垂線位置圖精簡分析

根據常測法精簡分析的相關要求,繪制三個方案精簡前的測速垂線位置和精簡后測速 垂線位置曲線,通過對比,選擇最佳方案。精簡前測速垂線位置圖見圖4。

圖4 精簡前測速垂線位置圖

方案一精簡至8 條測速垂線位置分別為起點距 （76 m 、86 m 、126 m 、136 m 、156 m、166 m、176 m、206 m）,其測速垂線位置圖見圖5。

圖5 方案一精簡后測速垂線位置圖

方案二精簡至10 條垂線位置分別為起點距（86 m、96 m、126 m、136 m、146 m、166 m、176 m、186 m、196 m、206 m）,其測速垂線位置圖見圖6。

圖6 方案二精簡后測速垂線位置圖

方案三精簡至12 條測速垂線位置分別為起點距（86 m、96 m、106 m、126 m、136 m、156 m、166 m、176 m、186 m、196 m、206 m、232.6 m）,其測速位置垂線圖見圖7。

圖7 方案三精簡后測速垂線位置圖

從三個方案精簡后測速垂線位置圖可得出,方案一測速垂線位置為 76 m 和126 m 之間的分布形態與精測時同一位置分布形態相差過大,方案二測速垂線位置為126 m 和146 m 之間的分布形態與精測時同一位置分布形態相差過大,而方案三精簡的測速垂線位 置保留了精測時的所有大致分布形態,與精測時測速垂線位置無太大偏差,因此從測速垂線位置分布圖的角度可以得出,方案三為最佳精簡分析方案,方案一和方案二舍棄。

4.2.2 精簡誤差相關分析

（1）精簡后流量誤差分析

根據常測法精簡分析的要求,對精簡前流量和精簡后流量進行誤差計算,累積頻率為75%時,誤差不得超過±3%；累積頻率為95%時,誤差不得超過±5%,且要滿足系統誤差不能超過±1%。根據上述計算成果表,方案一、方案二、方案三精簡后流量相對誤差絕對值,找到累積頻率為75%和95%所對應的相對誤差絕對值[2]。經過對比可以發現,方案一在保留8 條測速垂線進行流量精簡分析時,累積頻率75%時所對應的相對誤差絕對值介于10.46%~10.63%之間,已超出±3%范圍內；方案二在保留10 條測速垂線進行流 量精簡分析時,累積頻率為75%時所對應的相對誤差絕對值介于2.69%~2.91%之間,累積頻率為95%時其相對誤差絕對值為符合誤差范圍要求,即該方案可??；方案三在保留12 條垂線進行流量精簡分析時,累積頻率為75%時所對應的數值介于1.38%~1.45%之間,同樣符合誤差范圍內,相對于方案二和方案三,從精簡后流量分析誤差角度,方案三更加可取。

（2）精簡后面積誤差分析

根據計算成果,在成果中可以查出,方案一對保留8 條測速垂線進行精簡分析,當累積頻率為75%時多對應的相對誤差絕對值介于5.5%~5.66%之間[3],超出誤差范圍,則不合理；方案二對保留10 條測速垂線進行精簡分析,當累積頻率為75%時,對應相對誤差絕對值介于2.8%~2.81%之間,符合誤差范圍,當累積頻率為95%時,其相對誤差絕對值為4.9%,同樣符合誤差范圍；方案三對于保留12 條測速垂線進行精簡分析,當累積頻率為75%時,對應相對誤差絕對值介于0.93%~1.12%之間,符合誤差范圍,當累積頻率為95%時,對應相對誤差絕對值介于1.41%~2.97%之間[4],完全符合誤差范圍規定,方案二和方案三經過對比分析可知,方案三誤差更小,精度更高,因此針對精簡后面積誤差分析,方案三更可取。

（3）精簡后測速垂線平均流速誤差分析

根據計算成果表中數據,在方案一中,當累積頻率為75%時所對應的相對誤差絕對值介于7.56%~8.0%之間,超出誤差范圍,累積頻率為 95%時,其相對誤差絕對值介于11.76%~12.82%,也超出了規定范圍,經計算,方案一不可取,舍棄方案一。在方案二中,當累積頻率為75%時,其相對誤差絕對值介于1.19%~2.56%之間,符合誤差范圍,當累積頻率為95%時,其相對誤差絕對值介于3.7%~17.95%之間[5]。在方案三中,當累積頻率為75%時,其相對誤差絕對值介于1.1%~1.28%之間,符合誤差范圍,當累積頻率為95%時,其相對誤差絕對值為3.48% 。方案一舍棄,方案二和方案三經過對比分析,方案三的誤差較小。對于測速垂線平均流速的精簡分析,方案三更加可取。

5 結論

本文以水文測驗這門學科為基礎,收集丹江水文站水位、降水、流量等相關資料,將精測流量、精測面積以及精測平均流速進行常測法精簡分析,制定最佳方案能夠近似代替 精測法,為丹江水文站今后的流量測驗提供了思路和可行性建議,所得出的結論如下：

（1）丹江水文站2015年中水水位適用于常測法的精簡分析。在精簡分析中,測速垂線 越多,其相對誤差絕對值越小,精度越高,越能夠保持大斷面形態和垂線流速分布形態。

（2）本次通過對丹江水文站測速垂線的精簡分析,最終制定了方案三,即常測法保留12 條測速垂線的最佳方案,其河流特性及水情特征為其他丹江河測區提供了方法和理論依據。通過對丹江水文站中水水位的流量測驗精簡,為以后出現高水水位和低水水位時提供了精測思路和方法。

（3）常測法精簡分析可以減少測速歷時,節約人力財力,當出現緊急汛期,能夠在短時間內完成流量測驗,同時能夠確保精度和可靠性,將水文資料和信息迅速提供給上級單位用于防洪減災。