代表垂线法测流在臧格庄水文站汛期特殊情况下应用的展望

（山东省烟台市水文局 烟台 264001）

1 前言

1.1 流域概况

臧格庄水文站位于清洋河流域大沽夹河西支流，栖霞市臧家庄镇臧家庄村，东经120°59＇，北纬37°28＇。流域形状呈扇形，断面以上流域面积458km2，干流长度30.5km，流域平均宽度15.0km。干流长度28.7km，干流平均坡度4.33‰。上游20公里处1961年1月建成庵里中型水库一座，基本断面以下约300m 有山东河汇入，下游约28km 有大型水库门楼水库。

臧格庄水文站流域降水年内分配不均匀，多年平均降雨量为667.6mm，年最大降水量为1177.7mm，年最小降水量为344.0mm，极值比3.4。臧格庄水文站的径流主要由大气降水补给，上游中型水库庵里水库流域面积较小，故该站径流随时间的变化过程十分复杂，尤其在汛期，但径流变化特点与降水相似。臧格庄站多年平均径流量为0.733 亿m3，汛期6—9四个月平均径流深占全年的80%。

该流域属东亚季风区大陆性气候，气候温和，四季分明。多年平均气温11.5℃，七、八月份最高，达38℃，最低温度-17.3℃，年无霜期222 天，历年最大冻土深0.5m，平均风速4.5m/s。多年平均蒸发量1186.5mm，4—6月达475.7mm，占全年蒸发量的40.1%。气候特点是：春季常刮大风，多以西南风为主，空气相对干燥；夏季麦收前后伴有冰暴灾害天气，汛期湿热多雨且降水集中，时有台风登陆，形成暴雨洪水；秋季天气凉爽，风向较乱，个别年份甚至有连绵阴雨发生；冬季干冷、雨雪稀少，多北风或西北风。

流域内山丘区占80%，丘陵区占20%，土壤主要为砂壤土及壤土，其次为砂土，土壤透水性较好，植被覆盖率达30%左右。断面以上流域内20%为丘陵地，一般高程在50～200m 之间，无较大山峰，最高约在400 米左右。地势呈西南高东北低之势，平原多分布在中下游，为河谷冲积淤积平原。臧格庄水文站附近河道为山间河谷平原，由河流冲洪积物组成,岩性为砂砾石，颗粒上细下粗,厚度7～15m。库岸斜坡由粉质粘土组成，周围丘陵地带基岩裸露，属变质岩类，岩性为下元古代粉子山群大理岩、变粒岩及长石石英岩。臧格庄水文站属于为胶东半岛区域代表站，门楼水库的入库站，测验精度三类站，亦为中央报汛站。

1.2 流量测验方法

根据汛期测洪方案，下游橡胶坝未升坝且水位＜6.00m 时采用基下220m 作为测流断面，水位≥6.00m 时使用水文缆道测流，流速用旋桨流速仪采用悬索悬吊方式一点法施测，水深用基本水尺断面测量。目前臧格庄水文站流量测验悬索位置常规为起点距30.0m、50.0m、70.0m、90.0m、110m、130m 六条测速垂线，高水位时增加起点距10.0m、150m、170m 三条测速垂线。

2 2017年汛期水情

2.1 雨情

2017年8月3 日0 时至8月5日8 时，受台风“海棠”减弱后的低压环流影响和冷暖空气共同影响，清洋河流域出现一次强降水过程，如表1所示。

最大降雨主要集中在8月3日，五分钟雨强较大的点有百佛院雨量站2mm/min，邓格庄雨量站1.4mm/min。

2.2 来水情况

表1 臧格庄水文站流域内各雨量站降雨情况表（单位：mm）

受强降雨影响，清洋河流域形成超渗产流，河道内迎来一次较大洪水，臧格庄水文站实测流量如表2所示。

2.3 洪峰施测过程

施测时间2017年8月3日16时0分至16时40分(平均: 2017年8月3日16时20分)，开始水位6.75m，结束水位7.58m。对应水道断面面积为303 m2、430 m2，水位变化引起的面积变化大于5%，改用加权平均法计算相应水位为7.26m。

2.4 存在问题及原因

2013年汛期结束后，清洋河未有明显来水过程，今年首次来水漂浮物较多，流速仪入水后极易被水草等漂浮物缠绕，虽然在施测过程中采用缩短测点流速施测历时、漂浮物间隙下降、上提铅鱼等措施，但仍然无法避免水草缠绕问题。每个测点流速施测前后，水文缆道行车需重新回到河堤，人工清除缠绕水草，直接导致施测过程历时较长，从而使得水位变幅剧烈，一次测流起讫时间内，水位的涨落差大于平均水深的20%，测验精度较低。

因此，若汛期第一次较大洪水发生且漂浮物较多时，其涨水过程的流量测验应采用其他测流方法进行。

3 关系分析与检验

3.1 中泓浮标法与代表垂线法比较

河流流量测验规范规定：当洪水涨落急剧，洪峰历时短暂，不能用均匀浮标法测流时可用中泓浮标法测流。用中泓浮标法测流，应在中泓部位投放3～5 个浮标，浮标位置临近，运行正常，最长和最短运行历时之差不超过最短历时10%的浮标应有2～3 个。中泓浮标法测流除测流速度快、易操作等优点之外，需合理确定中泓浮标系数，准确是关键，它决定了流量测验的精度。确定浮标系数的实验一般为中泓浮标与流速仪法同时测速的实验比测法，以确定中泓浮标系数。

测流断面代表垂线法可缩短单次测流过程历时，控制水位急剧上涨以及峰谷转折点等情况下流量测验的精度。相比中泓浮标法在流速施测的可靠性及可操作性更强，且根据本站现有的流量测验手段即可满足。综合比较，中泓浮标法需要确定基线长度、制作浮标、实验确定浮标系数，而流速代表垂线法则简便易行，并较为可靠，应选为特殊情况下的替代方案。

表2 臧格庄水文站实测流量情况表

图1 臧格庄水文站30.0m 垂线平均流速与断面平均流速关系图

图2 臧格庄水文站50.0m 垂线平均流速与断面平均流速关系图

图3 臧格庄水文站70.0m 垂线平均流速与断面平均流速关系图

图4 臧格庄水文站90.0m 垂线平均流速与断面平均流速关系图

图5 臧格庄水文站110m 垂线平均流速与断面平均流速关系图

图6 臧格庄水文站130m 垂线平均流速与断面平均流速关系图

3.2 代表垂线的分析确定

根据臧格庄水文站近年来水位在6.00m 以上基本水尺断面使用缆道测流的50 次流量测验记录。选取起点距30.0m、50.0m、70.0m、90.0m、110m、130m六条垂线的垂线平均流速与断面平均流速相比较，得出110.0m 垂线平均流速的线性相关性最好，相关系数为0.95，二者密切相关（见图1～6）。

3.3 三种检验

3.3.1 符号检验

K=24，n=50，计算得u=0.141。

当给定显著水平α=0.25 时，u1-α/2=1.15，

u ＜u1-α/2，接受假设。

3.3.2 适线检验

K=24，n=50，计算得u=0。

当给定显著水平α=0.10 时，u1-α=1.28，

u ＜u1-α，接受假设。

3.3.3 偏离数值检验

当给定显著水平α=0.10 时，t1-α/2=1.67，t ＜t1-α/2，接受假设。

3.4 适用范围及使用方法

根据上述检验确定代表垂线法公式为：

V断=（V110＋0.0341）/1.166

V断—断面平均流速

V110—代表垂线平均流速

流速范围0.8～2 m/s，当代表垂线平均流速不在此区间内不适用该公式简化计算。

图7 臧格庄水文站2017年基本水尺断面大断面图

根据实测大断面成果以及水位计算相应过水断面面积，二者相乘即可得臧格庄水文站单次流量测验数据。臧格庄水文站2017年大断面图如图7所示。

4 结语

采用代表垂线法施测断面平均流速，可将简测法的多条测速垂线再次简化至1 条，故施测流量过程所用的时间可以大大缩短，既可以完成流速的测定，又减小了因水位暴涨而增加的过水断面面积误差，保证了抢测洪峰流量过程的测验时机，同时可以节省人力，减轻劳动强度，在测站有大量漂浮物时确保了流量测验精度，强化了时效性