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封冻期流量测次精简分析

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  摘 要: 黑龙江干流上游洛古河水文站地处高纬度带,冬季严寒,封冻期水文测验工作环境恶劣。测站目前已收集30多年基础水文资料,鉴于水文资料系列长,封冻期流量测验方案相对稳定,测验断面水文特性长期稳定的特点,为了减少野外水文监测的劳动强度,降低人力、物力投入和优化流量测验方案,本文提出了封冻期流量测验方案优化,并进行了可行性分析,对于北方结冰河流流量测验方案提出了新的思路,具有一定参考价值。

  关键词: 封冻期; 流量测验; 方案优化;

  1、 概述

  洛古河水文站位于黑龙江干流上,黑龙江两源额尔古纳河与石勒喀河汇合口下游11 km处,1987年设立,为国家基本水文站,距离巡测基地黑河市800多公里,冬季交通十分不便。测验项目主要包括:水位、流量、泥沙、水温、冰情等,测验方式为驻巡相结合的方式。

  由于测站受地处高纬度带,冬季严寒等条件影响,封冻期在测流断面上布置16个固定测流孔,人工施测流量,受国境区域边防管理要求及冰凌等因素的影响,冰期水文测验自动化仪器设备和新技术很难投入使用,封冻期水文测验自动化发展水平低,基本是靠人工打冰孔、测流,这种恶劣的工作环境带来人力和物力投入大、作业困难系数高、劳动强度大等的特点。测站已收集了30多年基础水文资料,鉴于水文资料系列长,封冻期流量测验方案相对稳定,测验断面水文特性长期稳定的特点,开展封冻期流量测次精简分析,优化测验方案,在保证测验精度的前提下,合理减少现有流量测验次数,达到精简高效的目的,有效缓解黑龙江上游封冻期水文测验遇到的困难和问题。

  2、 封冻期流量测验方案优化分析技术路线

  方案分析的实践依据是遵循当前新形势下水文测验方式改革要求,以水文监测向“驻巡结合、巡测优先、测报自动、应急补充”的模式转变为指导。目前,全国大量水文站开展巡测方案分析,精简、优化水文测验方案,降低人力、物力投入,提高水文监测时效,更好地服务经济社会发展需要。

  方案分析依据GB50179-2015《河流流量测验规范》第4.1.4条对流量测次布置的要求:“结冰河流的测验次数及分布应能控制流量变化过程或冰期改正系数变化过程”。通过收集测站历史实测流量资料,绘制每个完整的封冻期间冰期改正系数(K值)变化过程线,对比和试算找出K值变化规律,建立封冻期K值影响要素模型,确定流量测次精简时段。以SL195-2015《水文巡测规范》规定的系统误差标准来论证精简后的流量测次定线推流的精度,确定最终的流量测验优化方案。

  3 、方案优化分析

  3.1、 资料选取

  按照规范SL195-2015第4.4.3条要求:“分析实行巡测的各项误差,应有5年以上连续的资料序列,并宜包括丰、中、枯水年和不同水情资料;在各水位级用于计算误差的样本不宜少于30个”。选取资料分析样本是:2009—2019年连续流量测次的实测K值共96组。

  3.2 、资料分析

  对测站选取的样本进行分析,根据洛古河水文站多年实测K值绘制实测K值的时间变化趋势图(如图1所示),从中找寻规律,为精简分析提供支撑。

封冻期流量测次精简分析

  从图1可看出:每年K值封江时大于开江;每个完整的封冻期K值变化从封江开始到12月份是减小趋势,变幅较大;1月至3月K值趋于稳定,变幅很小;4月至开江时K值逐渐变大,变幅较大。

  图1 洛古河站多年K值变化过程
图1 洛古河站多年K值变化过程

  以上这些规律符合封冻期气温变化带来冰厚变化以及径流补给变化的特点,这些规律为精简分析提供了理论依据。为了控制封冻期改正系数(K值)变化过程,提出流量测次精简方案,即封江和开江期间加密测次,各连续施测2~3次流量,1—3月份每月施测1次流量,测次总数较原来减少四成,具体情况见表1。

  表1 洛古河流量测次精简明细
表1 洛古河流量测次精简明细

  3.3、 流量测次精简分析

  依据以上提出的测次精简方案,对测站选取的样本资料进行精简后再推求逐日平均流量值,综合比较,并分析精简前、后的年径流量和年平均流量精度指标,见表2。

  表2 洛古河站流量测次精简分析误差指标成果
表2 洛古河站流量测次精简分析误差指标成果

  注:a为未精简;b为精简后;误差=((b-a)/a)×100%

  从表2的结果来看,年平均流量相对误差最大值出现在2016年,相对误差是0.30%;年径流量相对误差最大值也出现在2016年,相对误差是0.33%;年平均流量和年径流量的相对误差最小值均为0。规范SL195-2015第4.5.3条对基本站允许误差的规定见表3。

  表3 时段径流总量允许相对误差
表3 时段径流总量允许相对误差

  由表3可知,经过精简后的测次推求的年径流量相对误差全部小于2.0%,满足一类精度站的允许误差要求。因此,本文提出的测次精简流量测验优化方案是可行的。

  4 、结论

  通过以上分析,可以得出以下结论:

  1)封冻期影响流量变化的各要素如流速、水深、水浸冰厚随时间变化趋于稳定,断面各部分流量占全断面流量的权重呈现稳定。这种特点为测次精简分析提供了可行性。
  2)封冻期属枯水期,水位变化平稳,时段径流量小,占全年总径流量的比例也小,封冻期径流量占全年比重最大的为2014年的5.5%,因此这一时期的流量方案精简分析的误差指标值容易符合规范的精度要求。
  3)流量测次精简方案推求的年径流量相对误差满足一类站精度规定,方案是可行的。依据分析情况,确定封冻期洛古河测站流量测次精简数量及时间安排:1,2,3,12月各测1次;4,11月各测2次。
  4)封冻期流量测验精简方案是建立在理论分析的基础上,方案分析结果满足水文资料整编规范和水文巡测规范的误差精度规定,使封冻期流量测验方案得以优化。今后工作中,根据测站冰情变化,可适时调整测次数量,分析调整优化方案。
  封冻期流量测验方案优化分析是基于冰期多点多线法流量测验原理,冰期影响河流断面流量的各水文要素系统随时间变化表现稳定的特征是方案分析的关键点,对于北方结冰河流流量测验方案提出了新的思路,可用于推广,具有一定参考价值。