安塞水文站中泓浮标系数分析

安塞水文站中泓浮标系数分析摘要：中泓浮标法测流是一种在中、高水测验中行之有效的测流手段，是在测站人员无法通过吊箱、吊仪测流时的补充测验方法。本文从安塞水文站历年实测资料出发，通过对比分析，总结该站中泓浮标系数，为今后的中泓浮标测验提供技术支撑。关键词：安塞水文站；中泓浮标；断面变化；系数分析；1测站概况安塞水文站设立于1973年6月（设站时为水位站），1981年1月进行全项目观测，改为水文站。位于安塞区真武洞镇，地处东径109°19'，北纬36°52'。所属延河系黄河北干流西侧较大支流，该站集水面积1334km2,距河口里程196km。属省级重要水文站，中央报汛站。安塞水文站所属延河流域常流量小，洪水主要由暴雨形成，来源于干支流，涨落快、历时短，水位流量关系高水受涨落影响一般呈绳套型，中低水受断面冲淤变化影响关系线较散乱。泥沙由暴雨产流挟带，水沙峰同步或沙峰稍滞后，峰型相似。调查最大流量2710m3/s，实测最大流量2710m3/s，多年平均降水量512.6mm，多年平均径流量0.4837亿m3，多年平均输沙量888万t。2中泓浮标系数的试验2.1浮标测流适用条件根据《河流流量测验规范》附录C，水面浮标法适用于流速仪测速困难或超出流速仪测速范围情况的流量测验。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。2.2浮标的型式、投放方式安塞站的浮标型式为“十字形”浮标，浮标的制作材料为谷草，投放方法是投放器投放或人工抛掷。根据《流量测验规范》第C.2.3条规定：用中泓浮标法测流，应在中泓部位投放3〜5个浮标。浮标位置邻近，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。2.3中泓浮标法流量的计算中泓浮标法流量的计算，根据《河流流量测验规范》第C.7.2条，中泓浮标法实测流量按下式计算：Q=KmfAmVmf （公式2-1）式中：Kmf一中泓浮标系数Am—浮标中断面面积（m2）Vmf一中泓浮标流速的算术平均值（m/s）安塞水文站自1981年开始全项目观测至今，受测验条件限制，无法进行高水的流速仪与中泓浮标比测试验。现有中泓浮标系数的选取，需在每次浮标测流时计算对应的浮标系数，使用颇为不便。为保证流量测验的精度，特别是高水期浮标法测流的精度，减少误差来源，在历年实测资料的基础上，开展本次中泓浮标系数的分析工作。截至目前，安塞水文站已积累39年历史资料，共测得各类浮标流量161份，初步具备了以水位流量关系曲线查线分析浮标系数的条件。2.4资料审查本文中所用的数据资料等皆来源于水文年鉴，经审查，所有数据均符合可靠性及代表性的要求。3断面变化分析安塞水文站断面左岸为石砌河堤，右岸为土质人工修整规则河堤。基本断面为砂砾石河床，断面下游约250m处建成一座高架桥，断面中高水冲淤较频繁但冲淤程度不大；上比降断面向上约10m处有一弯道，下比降断面约500m处有一小沟，其水流方向与本站水流方向基本垂直。将安塞水文站1981年至2020年断面进行套绘比较，以左岸河堤的堤顶高程103.60m为假定水位，假设洪水满槽但未出堤的情况，进行断面分析计算，套绘断面见图3-1：图3-2安塞水文站断面相关图从上图可以看出，安塞站断面整体呈缩减趋势，且断面面积、水面宽与湿周基本配套。2006至2008年河道断面变窄，且2008年后基本维持稳定，经考证为安塞区河堤工程所致，与实际情况一致。为了滤掉断面变化中小的波动，突出趋势变化，更加清楚地反映断面演变趋势，我们采用滑动平均值过程线法对数据进行优化。所谓滑动平均值，就是在一个系列中，先确定若干年为计算平均值的滑动计算时段，求得一个均值，将其作为中间年份的修匀值，然后向后滑动一年，形成一个新的计算时段，计算均值。重复上述步骤直至计算时段的最后一个数据为系列的最后一个数据为止。图3-3安塞水文站断面3年滑动平均值相关图从上图可以看出，经过3年滑动平均值修匀后，断面面积、水面宽与湿周的相关性基本良好，变化趋势一致。4浮标系数分析安塞水文站自开展全项目测验以来，已有连续完整的资料38年（1981-2019年），现选取38年的实测中泓浮标流量资料，根据规范的要求对安塞站浮标系数进行分析。4.1浮标系数的确定根据《河流流量测验规范》附录C，第6.1条规定：水面浮标系数的试验，有条件比测试验的测站，应以流速仪法测流和浮标法测流进行比测试验；无条件比测试验的测站，可采用水位流量关系曲线法和水面流速系数法确定浮标系数。浮标系数应由断面流量除以断面虚流量，或由断面平均流速除以断面平均虚流速，或断面平均流速除以中泓、漂浮物浮标流速。安塞站由于中高水难以使用流速仪测流，比测资料较少，因此选用水位流量关系曲线法分析浮标系数。浮标虚流量应采用实测值，断面流量应以浮标法测流的相应水位在水位与流速仪法流量测点的关系曲线上查读。查读流量时符合下列规定：⑴分析断面浮标系数时，应根据浮标流量测点有效浮标的控制部位，并应选用测速垂线分布与之对应的流速仪法流量测点，按不同的测流方案分类绘制不同方案的水位流量关系曲线查读断面流量。⑵分析中泓、漂浮物浮标系数时，宜选用流速仪法在高水期的一种测流方案的流量测点绘制水位流量关系曲线查读断面流量。⑶对于不同形式的水位流量关系曲线，应按下列规定查读断面流量：水位流量关系为单一曲线的测站，应直接在曲线上查读流量；水位流量关系为多条单一曲线的测站，应在与浮标测点同一时期的曲线上查读流量；水位流量关系为复式绳套曲线的测站，应在与浮标测点同一洪水过程的绳套曲线上查读流量。4.2中泓浮标系数的计算按照上述方法，进行历史实测资料的查线计算，得出相应水位的中泓虚流量与断面流量。4.3中泓浮标系数的确定根据实测资料及查线求得的中泓虚流量与断面实流量，通过公式4-2计算中泓浮标系数，所得结果在0.60〜0.82之间。需要注意的是，在2006至2008年间，断面发生了一定得变化，但自2008年起，最高水位仅到98.10m，河堤变化的部分对现有洪水主流影响不大。现采用绘制关系曲线与加权法来计算中泓浮标系数。①绘制断面实流量与中泓虚流量关系曲线，以断面实流量为纵坐标，以中泓虚流量为横坐标，建立关系曲线，见下图4-1：由加权法确定安塞站浮标系数为0.71。5总结1、 综合考虑关系曲线法与加权法，安塞站河道中泓浮标系数确定为0.71。2、 本次试验分析采用历年实测资料及水位流量关系曲线，浮标系数符合规范精度要求，基本可在安塞站流量二类精度的中高水位时使用。3、 当测验河段或测站控制流域发生重大改变时，应重新进行试验分析，确定新的浮标系数。参考文献：[1]朱晓原，