新疆卡拉苏（四）水文站水面、半深流速系数分析

周海龙

（新疆维吾尔自治区阿克苏水文勘测局,新疆 阿克苏 843000）

1 概况

卡拉苏（四）水文站设立于1956 年4 月,属国家基本水文站,位于新疆阿克苏拜城县亚吐尔乡龙口村,是渭干河支卡拉苏河下游的区域代表站,流域为内陆河湖,水系为天山南坡诸河,集水面积1350 km2,河长107 km,距河口25 km。测验项目有水位、流量、水温、气温、降雨、水质、普通测量等。

测验断面河床由大石块、卵石夹砂组成,冲淤变化不大。测验河段基本顺直,长约1km,为宽浅式河槽,中、高水主槽宽约100 m~160 m。低水位时由于水利施工水流集中在左岸,中、高水位时水流集中,无回水、死水情况。左右岸为人工护岸,不易冲刷。基本水尺断面有一座224 m的混凝土渡槽桥,为井柱桥墩,对测验有一定影响,断面附近无水草和支流汇入。测验方法为桥测,使用测流车悬挂30 kg~50 kg铅鱼施测流量,中高水测验会受水位涨落率及漂浮物等条件的限制。

2 测流方案分析

水面流速系数是影响测验精度的重要因素。2021 年,采用3点法对卡拉苏（四）水文站施测了30 次流量,测验方案均按照《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）要求执行,对卡拉苏（四）水文站水面流速、半深流速系数进行分析确定。在试验分析前,卡拉苏（四）水文站水面流速、半深流速系数分别采用经验值 0.85、0.94。

当遇到大洪水水位涨落急剧、洪峰历时短、枯期水位较低、流速较小等特殊水情时,常采用水面一点法测流。特别是中高水测验会受水位涨落率及漂浮物的影响,测验工作非常困难,一旦测验过程中测流车悬索与漂浮物发生碰撞,不仅影响测验历时和精度,严重的还会对人员和车辆安全造成威胁。所以在满足测验精度的前提下,宜本着安全、实用的原则,根据实际情况,综合权衡确定中高水时采用简测法进行测流,这就对测流系数精度提出了高要求。

3 测流方案及施测点布设

3.1 测验方案

卡拉苏（四）水文站低水时采用测杆涉水施测,中高水时使用水文测流车悬挂LS25-1 型流速仪一点法（0.0、0.6）施测。根据垂线水深的大小, 布设不同数目的流速测点。采用铅鱼或测杆测量水深,仪器放至测点时,要使仪器转轴中心或轭架中线偏离各测点的偏距不大于0.1 m水深。施测水面流速时,流速仪旋转部分不应露出水面。施测相对水深0.8处流速时,应满足流速仪旋转部分的边缘离开河底2 cm~5 cm。

3.2 测速垂线布设

LS25-1测速范围低于临界流速Vk低速部分,查该流速仪低速V~n曲线图。为了克服流速脉动对测速成果精度的影响,每个测点上的测速历时,不应小于100 s。测速垂线均匀分布,并能控制断面地形和流速沿河宽分布的转折点,主流和河滩水流相接处必须设置垂线,主河槽垂线布设较滩地较密；考虑桥测桥上测验时桥墩对水流的影响,桥墩附近不布设垂线,避开桥墩附近紊流区域；洪峰前后断面有显著变化时,应实测一次断面,以便掌握河底变化情况,有利于重新布设测速垂线。

4 流速系数分析

4.1 水位级划分

卡拉苏（四）水文站年来水量较小,考虑河流特性、水文站测洪能力及影响水位变化的各种要素,选取2017年~2021年近五年资料,根据汛期逐日最高水位,计算频率并绘制频率曲线,取频率P为10%、50%、90%所对应的水位为高、中、低水位1391.16 m、1390.23 m、1389.24 m。

4.2 流速系数分析

本次分析采用卡拉苏（四）水文站2021年5月~2021年8月流量测验数据30个,水位变幅 1388.89 m~1391.53 m,流量测次基本包含了高、中、低水位。本次率定采用精测法（三点法）与简测法（一点法）进行分析,即将精测法计算的流量与简测法计算的流量进行对比值,得出水面系数和半深系数。考虑到实际工作中使用0.6一点法施测流量,将水面、半深系数分别与精测法和0.6一点法二者对比相关分析,发现精测法和0.6一点法相关性较好,比值接近。统计结果见表1、表2。

表1 卡拉苏（四）水文站流速仪水面流速系数率定表

续表1

表2 卡拉苏（四）水文站流速仪半深流速系数率定表

续表2

4.3 相关分析

采用水面、半深虚流量与实流量（精测法）作相关分析,见图1、图2。从图中可看出,虚流量与实流量相关关系较好,水面、半深相关系数分别为 0.9998、0.9999,计算得水面流速、半深流速系数为0.84、0.93。

图1 水面流速与垂线平均流速相关图

图2 相对水深0.5流速与垂线平均流速相关图

4.4 流速系数随水位变化分析

分析流速系数随水位变化的规律,建立各次流量水面流速系数、半深流速系数与水位的关系图,见图3、图4。从图中可以看出,水位在1388.89 m~1391.53 m区间,水面流速系数、半深流速系数分布在均值0.84、0.93附近,随水位变化无明显的增加或减小趋势。认为流量测验系数随水位的变化不明显,在不同的水位级水面流速系数、半深流速系数均可取固定值0.84、0.93。

图3 相对水深0.0流速系数与水位关系图

图4 相对水深0.5流速系数与水位关系图

4.5 成果应用分析

2021年卡拉苏（四）水文站水位流量关系曲线有2 条,三种检验计算分别得出：1 线标准差1.5%,随机不确定度3.0%,系统误差0.5%；2 线标准差2.1%,随机不确定度4.2%,系统误差-0.7%,三种检验结果符合规范要求。

利用水面和半深虚流量乘以流速系数推得的流量,对水位流量关系曲线进行三种检验,分别得出如下结果：1号~20号流量水面标准差1.5%,随机不确定度3.0%,系统误差：0.5%；21号~30 号流量水面标准差1.8%,随机不确定度3.6%,系统误差：0.2%；1号~20 号流量半深标准差2.1%,随机不确定度4.2%,系统误差-0.7%；21号~3 号流量半深标准差1.6%,随机不确定度3.2%,系统误差0.2%。各项指标均未超过允许范围,说明所率定的水面系数、半深系数0.84、0.93是合理的。

5 结语

通过对2021年30个实测样本分析计算,直接比值得出水面、半深均值系数为0.82、0.94；经相关分析,得出水面、半深系数0.84、0.93；二者基本一致,水面流速系数、半深流速系数具有代表性,成果质量可靠。用分析系数成果对水位流量关系曲线进行三种检验进行校核,均符合要求,相关分析法成果更科学,因此卡拉苏（四）水文站水面流速系数、半深流速系数为0.84、0.93。