元江水文站代表垂线流速与断面平均流速关系分析

元江 水文站代表垂线流速与断面平均流速关系分析

李茂生

云南省水文水资源局玉溪 分局，云南玉溪 6531 00

摘要：元江水文站2021年垂线平均流速、断面平均流速实测资料为例，建立垂线平均流速与断面平均流速的相关关系，通过误差评定及成果验证后得出，本站单次测流时断面平均流速的测验可简化为只测代表垂线的平均流速。该结论运用到实际测流工作中，可大大缩短单次测流所需要的时间，能够节省人力，提高工作效率。

关键词：断面平均流速；代表垂线流速；相关分析；水文站

1 流域概况

红河干流发源于云南省巍山县境内的哀牢山东麓，流域面积39840km2。河源至国境（河口）河道总长度为677km，落差2510m。流域经度在东经100°35′～104°58′之间，纬度在北纬22°30′～25°30′之间，大致呈西北—东南流向，主要支流在省境内均自成独立的水系，各支流的流向大致与干流平行，上游西支礼社江（流域面积10430km2）与东支绿汁江（流域面积8823km2）在三江口汇合后称元江，进入红河州境内称红河。上游主要支流有中、小型水库若干，干流石羊江上在楚雄境内建有大湾水电站一座、绿汁江上有龙门水电站一座。

红河流域为亚热带高原季风气候，由于所处纬度及高程的影响，各地气候差异较大。流域北部在气候上具有季节变化不明显，年温差小，日温差大，垂直变化明显，干湿季分明等特点。

红河流域径流的形成由降雨补给，径流量的年内分配与降水量基本一致，大部分集中于汛期5～10月，约占全年径流量的70～80%左右；径流量的年内分配存在着地区差别，支流李仙江的李仙江站，其汛期6个月径流量仅占年径流量的60%左右。年径流量的地区分布也与降水量的地区分布基本一致，即南多北少，且呈从南向北递减的趋势，高值区位于南部国境线一带。元江水系详见下图1

图1 元江水文站以上流域水系图

2 测站概况

2.1 基本情况

元江水文站是国家重要水文站、中央报汛站、国际报汛站、国家水质监测站、元江干流控制站。属于红河流域元江水系，积水面积21554Km²，距河口距离305 Km。监测项目有：降水量、蒸发量、水准测量、基本水位、比降水位、流量、单样含沙量、悬移质输沙率、水质，采用国家85基准。

2.2 测验河段及断面情况

测验河段顺直长约200m，河床由细沙、砂卵石组成。河宽308.00米，主河槽形态为U型槽，中高水主河槽宽约90m。当水位至382.00m时，开始漫滩，宽度随水位升高而增加，最宽约180m，对测流有影响。断面受洪水冲淤影响，右岸为元江防洪大堤，块石支砌，高约11m，上、下游100m处有沙滩。上游800m处有南溪河从右岸汇入，对水位无影响，大水时，对泥沙有一定的影响。元江站大断面详见下图2。

图2 元江站大断面及水位面积曲线图 2021年3月17日

2.3 测站特性

元江干流洪水主要由暴雨形成，洪水过程多为复峰型，洪水涨落比较平缓，洪水历时较长，约为2-10天，丰水期径流约占年径流量的65%—77%。最大径流月一般出现在7、8、9、10月，以8月最多。

断面受洪水冲淤影响，右岸为元江防洪大堤，块石支砌，高约11m，上、下游100m处有沙滩，受河道上、下游取沙影响，流量测验河道变窄，断面冲淤变化频繁，岸边出现死水现象，洪水期间断面漂浮物较多。

3 流量测验情况

元江属于红河流域元江水系，站属干流控制站，河流流量测验中各种测流方法、测流仪器的选取符合《河流流量测验规范》GB50179-2015的各项技术规定。元江水文站测验断面河宽-10.00～308.00m，元江站全年采用水文缆道流速仪测流系统施测流量。

按本站测验断面水位流量级划分，中低水水位在378.27m，流量在147m³/s，高水水位在380.64m，流量在856m³/s，低水时主泓分布在在40.00～75.00m之间；中高水时主泓分布在起点距35.00～105.00m之间，主泓变化分布在30～105.00m之间，最大流速主要集中在起点距50.00～55.00m处。

单次测流一般应布设测速垂线10～22条，垂线上测速点位于相对水深0.6位置，测点的测速历时60～100秒。影响流速变化的因素为断面冲淤，受上、下游采沙的影响，断面变动频繁，实测流量点流速时序成不同时序分布，中高水水位流量关系受弯道控制，低水受下游沙滩影响，为了控制变动回水影响下的流量变化过程，每年的测流次数都接近50次，在加上大河站，河面较宽，单次测流时间均在2小时左右，在水深满足的情况下每年用增加垂线和测点数目的精测法次数不少于5次，水深不满足精测法的必要条件时，可酌情减少当年精测法次数，测流任务繁重。

4 资料整编

由于受断面冲於变化的影响，以及受上、下游采沙的影响，断面冲淤发生变动，断面变动频，中泓随之改变，水位与流量关系点子成时序性变化。低水受下游沙滩影响，中高水水位流量关系受弯道控制。全年采用临时曲线法推流，按定线精度指标对实测水位流量点进行实时在线推流，过渡为连时序过渡，测站特性为涨涨冲落淤，各年线与历年线趋势一致，能够控制流量变化过程，保证流量计算的精度。

5 代表垂线流速、断面平均流速数据收集

在测流断面上布设12至20条测速垂线不等，采用缆道流速仪一点法（0.6）或多点法（0.2、0.6、0.8）施测，每个测点流速历时不低于100秒，通过实测过水断面面积推算流量，进而获得断面的平均流速。

代表垂线流速选取中弘起点距50.00米垂线的流速。

时间：2020年11、12月；2021年1月～12月。

样本容量：41次起点距为50.00米处垂线流速。

水位变幅：376.78～379.54m。

流速变幅：0.106～2.374m/s。

流量变幅6.773～472.186m³/s。

6 代表垂线流速、断面平均流速的相关分析

根据实测资料绘制代表垂线流速与断面平均流速的相关关系图。得出起点距50.00m处的垂线流速与断面平均流速相关图，具有较好的相关关系，相关系数为0.9915，说面此垂线为实测断面平均流速的相关关系较好。详见下图3。

图3 元江水文站代表垂线流速与断面平均流速相关图

根据图1进行线性关系拟合，可得出如下公式：

V_断＝0.7784V_代+0.0500 (1)

相关分析的误差符合要求。详见下表1

表1 回归线的误差分析判别表

7 代表垂线流速计算断面流量的误差分析

由于代表垂线流速与断面平均流速的相关关系较好，可用代表垂线流速通过公式（1）计算出断面平均流速，结合过水断面面积计算出断面流量。用代表垂线流速计算流量与全断面实测流量进行比较（见表2），系统误差为-0.5％，标准差为0.05，不确定度为10%，满足规范的精度要求。

表2 元江水文站代表垂线流速计算流量误差计算表

8 结论

8.1通过对元江水文站测验断面流速代表垂线分析，从分析结果可知，单次测流时断面平均流速测验可简化为只实测起点距50.00m处代表垂线流速，并利用拟合公式计算出断面平均流速，结合过水断面面积计算出相应的单次流量。

8.2分析寻求本站的测速代表垂线，在保证单次流量测验精度的前提下，减少测速垂线，有利于测站抢测更多的实测流量资料，具有一定的实际意义。

8.3采用代表垂线流速法施测断面流量，可大大缩短单次测流的时间，节省人力，减轻测验工作强度，提高工作效率。

8.4本次分析的数据为2020年末及2021年的实测资料，且为枯水年，数据偏少，在实际运用中，应密切关注断面上的流速横向分布情况，当发现中泓位置发生改变时，应及时对代表垂线进行复核分析。

参考文献：

［1］严守顺，《水文测验学》［M］．水利电力出版。

［2］黄廷林，马学尼 沈冰 《水文学》．中国建筑工业出版社。

［3］《河流流量测验规范》（GB50179-2015）。

［4］《水文资料整编规范》（SL247-2012）。

［5］《水文测量规范》（SL58-2014）。

［6］芮孝芳《水文学原理》．中国水利水电出版，2004，北京。

［7］黄振平，陈元芳《水文统计学》中国水利水电出版社，北京。