对青龙河土门子站代表垂线平均流速相对位置的分析探讨

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　　摘要：垂线平均流速位置的确定，关系到垂线流速的准确度。本文以青龙河土门子水文站垂线平均流速的实测资料为例，选用典型资料来分析垂线平均流速及其相对位置，以简化施测断面平均流速的技术手段。断面水深不同，代表垂线平均流速的相对位置略有不同，也验证了水文测验规范[1]，对于分析其他流域垂线平均流速相对位置具有指导意义。
　　关键词：测点流速；垂线平均流速；相对位置； 简化垂线流速
　　
　　
　　1基本情况
　　1.1流域的情况
　　青龙河位于滦河流域的东侧，青龙河为滦河第二大支流。它纵贯青龙县全境，青龙河水量之大，冠于其它河流。青龙河发源于承德地区平泉县境内燕山山脉的七老图山支脉的南侧，源头共有两支：其中一支发源于台头山北朱杖子南沟，另外一支发源于台头山西的北台子。这两支南流至辽宁省凌源县三十家子村的北处汇合，继续向南流至绊马河入宽城县境，再南流至老岭湾北入青龙县境内，穿过大石岭、蒿村、土门子、大巫岚、双山子、南杖子至桃林口过长城入卢龙县境内，西南流至曲河庄南入迁安市境，又西南流至揣庄有徐流河注入，南流至枣行有冷口沙河汇入，再南流至郎庄有野河流入，从揣庄流到马哨村东，再入卢龙县境，东南流折转西南流，至崔李庄村东南，南流至滦县石梯子村北入滦河，全长222km，流域面积6500km2。青龙河支流众多，流域面积大于100km2的支流有6条，即沙河、起河、星干河、都源河、南河、三岔口河。流域内植被一般，以阔叶林和针叶林为主。流域内的田地多以沙瓤土和黏土为主。农作物多以玉米、谷子、高粱、大豆和红薯等。水土保持不好，悬移质中含沙量大，发洪水时有时能将河中的鱼呛死。
　　1.2测站情况
　　土门子水文站，位于河北省青龙县椅子山村（东经119°10′、北纬40°27′）。由河北省水文总站于1971年6月设立，为国家常年代表站，主要观测项目有：水位、流量、降水量、蒸发量、悬移质输沙率、含沙量、水温、冰情。控制流域面积为2822km2，主河道比降为2‰，实测最大洪峰流量为 3800m3/s。附近暴雨含沙量小，且暴涨暴落。上游暴雨含沙量大，且暴涨缓落。
　　1.3断面控制情况
　　基上1000m有一约90度的弯道，基下400m有斜向拦河坝。分别对高低水起控制作用。右岸为陡峭的石灰岩，左岸为农田和村庄。主槽在右岸，河床由细沙组成。冲淤变化不大。历年推流多采用单一曲线法、连时序曲线法、临时曲线法和 连实测流量过程线法。当水位超过40.5m时，则会出现漫滩。当水位超过41.50m时，会出现两股主流，即130m至170m和240m至280m。自建站以来，只有1984年和1994年两次出现漫滩。站房在左岸。
　　1.4所使用的资料情况
　　自1986年至1992年间,利用平水期及洪峰的退水段,水位变化缓慢期间,对水深0.42~1.35m段分别进行了多点法流速的精密测量。共有14次流量、51条垂线参加统计、计算，其中四点法30条，五点法3条，六点法18条。自1986年至1992年间,利用平水期及洪峰的退水段,水位变化缓慢期间,对水深0.42~1.35m段分别进行了多点法流速的精密测量。共有14次流量、51条垂线参加统计、计算，其中四点法30条，五点法3条，六点法18条。垂线平均流速的计算公式为[2]：
　　（1）四点法（水面流速不参加计算）Vm＝（v0.2+v0.6+v0.8）/3
　　（2）五点法Vm＝（V0.0+3V0.2+3V0.6+2V0.8+V1.0）/10
　　（3）六点法Vm=（0.5V0.0+V0.2+V0.4+V0.6+V0.8+0.5V1.0）/5
　　以上这些资料及表中所涉及到的数据，全部都是从原始资料记载表中直接抄录而得。收集资的来源以及资料的质量绝对可靠[3]。
　　2探讨本站垂线平均流速的相对水深位置的意义
　　测流，是水文测站的基本工作。而流量是诸水文要素之首，流量测得准确与否，将直接影响到诸项水文要素的精度。
　　影响流量的因素众多，同时存在着较大的不确定性，比如河床坡度、水面比降、河曲系数、湿周、河床糙率、风向、风力等[1] 。所以尽快找出一种、能适合本站情况的、正确又便捷的测流方法，显得尤为重要。
　　在流量测验中，一点法是最便捷的一种常用的方法。通常都是按照水文规范中给出的h0.6一点法，此法是最便捷的一种测流方法。但水文规范手册中规定的相对水深h0.6是否符合本站的情况呢？我们在测速垂线上自上而下分布数量有限的流速测点，如两点法（h0.2、h0.8）、三点（h0.2、h0.6、h0.8）法、五点（h0.0、h0.2、h0.6、h0.8h1.0）法和六点（h0.0、h0.2、h0.4、h0.6、h0.8、h1.0）法）等。使这些测点正好处于流速滑垂直方向变化的重要部位，根据测点流速测量的结果，算得各条垂线平均流速。掌握了第一手精测资料，就能得出正确的代表本站垂线平均流速的相对水深的位置，从而就能即快又好的进行流量测验。
　　3推求代表垂线平均流速的相对水深的统计计算
　　现将建站以来所施测的14次精测流量，51条垂线的流速资料，进行统计、画图、分析。本次表中所用的垂线平均流速的计算值，均抄自原始记载、计算表。
　　以各点流速Vi为横坐标，以相对水深hi为纵坐标，绘出每条垂线自水面至河底的流速分布曲线图：即：Vi~hi关系图。再从横坐标上截取垂线平均流速，作平行于纵坐标的直线，与Vi~hi线相交，这个交点的横坐标，就是代表这条垂线平均流速的相对水深hki的位置。用这种图解的办法，逐个将51条垂线代表垂线平均流速的相对水深的位置hk找出来。然后用算术平均法，求得代表这51条垂线平均流速的相对水深的位置为hk。作为本站一点法测流、代表垂线平均流速的相对水深的位置。以1987年9月7日9时23分水深0.87m的实测流量为例，实测资料详见表1，图解详见图1。
　　
　　
　　4结果分析
　　经过对51条精测资料的统计、计算，画图、分析，得出本站的代表垂线平均流速的相对位置：0.596。与水文规范中的代表垂线平均流速的相对位置0.60，基本吻合。说明水文规范中h0.6一点法系数，是适应本站测验条件的。根据不同水深段进行分析，其结果如下：
　　当水深在0.40m～0.50m时hki=6.34÷11=0.576
　　当水深在0.51m～0.99m时hki=18.48÷31=0.596
　　当水深大于1.00m时hki=18.48÷31=0.599
　　通过分析可以看出，水文规范中的代表垂线平均流速的相对位置：hki=0.60，是在水深大于1.00m的环境下试验出来的。当水深在0.40m～0.50m时，hki应采用0.58。
　　5结语
　　上述这些精测资料，都是根据当时的测验条件、技术、人力等，在洪峰的退水段，适当安排的。水浅时涉水施测，水大时上吊箱施测。施测的方式有所不同，测验结果可能存在一些差异。断面水深不同，代表垂线平均流速的相对位置略有不同，也验证了水文测验规范[3]，对于分析其他流域垂线平均流速相对位置具有指导意义。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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