峪门口站高洪流量测验方案优选
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摘要：高洪测流方案优选，是做好峪门口水文站高洪测验不可缺少的前期必备工作。针对峪门口站现有实测资料无条件应用非线性规划法寻优的情况下，本文采用试算法仅就流速仪法高洪流量测验方案的优选来确定峪门口站高洪流量测验方案。该法简单，易掌握，便于分析，具有较高的实用价值。对于制定唐秦地区其他水文站山溪性河流高洪测验方案具有典范作用。
关键词：高洪流量测验方案；单次流量限制历时；单次流量必须历时；总随机不确定度
The Best Flow Test Schemes of High Flood in Yumenkou Hydrological Station
YOU Jin-guo
(Hydrology and Water Resources Survey Bureau of TangQin in Hebei Province，
Hebei，Tangshan,063000)
Abstract：The best flow measurement scheme of high flood water level is the necessary Prophase work to flow test in Yumenkou hydrological station.Based on the existing measured data it can not be unconditional applied to nonlinear plan optimization method.This paper adopts trial method to determine flow test schemes of high flood by velocity instrument method.The method is simple, easy to learn and analyze and has a higher practical value.It has the canonical effect for making flow test schemes of mountain-river high flood to the other hydrological stations in Tangshan and Qinhuangdao.
Keywords：flow test schemes of high flood; single discharge limited diachrony ; single discharge necessity diachrony; general randomly uncertainty.
1前言
高洪流量测验 是指洪水涨落急剧，流速大，漂浮物多，断面冲淤变化显著等困难条件下的流量测验，是水文工作的重要内容之一。流量测验数据是水利工程建设及水资源管理和配置的基础资料[1]。高洪流量测验精度对工程设计、规划、防洪、预报等方面有着重要的影响，但正是高洪时测验条件困难，且涨落率较大，受时间限制不允许用多线多点测流，因而产生了测验条件、可能测验历时与提高测验精度的矛盾。为了合理解决这个矛盾，就需要探讨各种组合条件下测流方案的最优化问题。这种优化分析，情况比较复杂，它受河道特性、水流情态、测流设备等条件的约束，在特定约束条件下，极限地控制高水测验误差，制定高洪测流方案就显得尤为重要，本文对峪门口水文站仅就流速仪法高洪流量测验方案的优选进行探讨和介绍。
2优选方法
关于流速仪法测流方案的优选问题，一般有两种情况：一是在满足单次测流限制历时等于或大于单次测流必须历时的约束条件下，建立使单次测流误差最小的目标函数；二是在满足单次测流总随机不确定度等于或小于允许总随机不确定度的约束条件下，建立单次测流必须历时最短的目标函数，以寻求测速历时、测点数和垂线数之间的最佳组合方案。
以上两种情况可按下列数学模型建立目标函数和约束条件。
2.1求单次测流误差最小目标函数：
以上问题可用非线性规划的寻优法求得最优解，但是基层测站现有实测统计资料一般无条件应用优化技术，为满足测站高洪流量测验的需求，针对峪门口站现有实测资料无条件应用非线性规划法寻优的情况下，现介绍一种容易操作的高洪流量测验方案优选方法用试算法。
3基本情况
峪门口水文站地处燕山迎风坡，属河北沿海水系，洋河一级支流东洋河控制站。东洋河发源于青龙县界岭下，往南经抚宁县境内的峪门口、大新寨到战马王村西折入洋河水库，全长35km，流域面积306km2。东洋河较大的支流有杨家沟、陈家沟、燕河、李家河、干涧河、麻姑营河等。东洋河流域多为深山区，地势较陡，河谷上窄下宽，海拔高度在1300m以上，河道宽一般在200-400m之间，河床为卵石沙砾组成，河道比降在11‰左右，属于暴涨暴落的山溪性河流。
气候区属暖温带半湿润大陆性季风型气候，四季分明，雨热同季。多年平均气温10.0℃，最高39.9℃，最低-24.3℃，年均日照2745小时，年均无霜期189天，多年平均降水量700.1毫米。其独特的气候因素和自然地理条件使得降水量雨季干季分明而降水年际差异大;大气可降水量终年相近但水汽通量则季节变化明显[2]，降雨特性和河流特征决定了极端天气过程频繁，暴雨强度大，致灾暴雨洪水次数多。量级大，影响面广、破坏性大汛期洪水突发性强，暴涨暴落。
4 试算法优选峪门口水文站高洪测流方案
试算法的基本思路是：当洪水涨落率较大时进行流量测验，虽按 加权法计算相应水位，但由于相应水位计算公式本身的误差，仍导致与该水位对应的瞬时流量出现较大误差，《规范》规定，这一误差不得超过3%。这就表现为对单次流量必须历时T的限制，即T≤T0，同时为保证流量测验精度要求，使 ，就需要足够的m、n、t，要求单次测流必须历时足够长。所谓优选方案，就是寻求m、n、t的最佳组合，既满足 ，又满足T≤T0。试算法就是先分析涨落率对测流精度的影响求得T0，而后选择某一测流方案，使 ；计算该方案必须测速历时T，若满足T≤T0，该方案即可作为高洪测流方案，否则须另选方案进行试算。
4.1峪门口站单次流量限制历时 T0的分析计算：
峪门口站为三类精度流量站。根据统计资料确定1.80m以上为高水位级，历史上出现的最高水位3.80m，发生在1973年，近期丰水年1986年最高水位3.36m，1994年高水位3.23m，考虑到测验河段情况及高水测洪设备至今变化不大，故以1994年实测资料为分析依据优选高洪测流方案。
4.1.1涨落率对测流精度影响的分析
根据峪门口站历年洪水资料统计结果，最大涨（落）率一般发生在1.80m~3.00m，水位涨率一般为0.50m/h，涨率大于落率。由于该站最大涨（落）率一般发生在较小的水位变幅2.20~2.80内（0.60m），故不进行水位分级，按每次测流水位Z可能变幅为0.17m~0.25m分析洪水对瞬时流量精度的影响。
为得到符合实际情况的模拟瞬时流量，根据1994年第74~78次实测高水流量资料点绘水位~垂线平均流速相关图（略），根据75次实测流量建立水位与部分面积的关系（见附图）。取测流开始、终了水位差Z分别为0.17m、0.20m、0.22m、0.25 m，由相关图，查得不同水位的垂线平均流速和部分面积，计算四种水位差Z情况下的模拟实测流量； 加权法相应水位和模拟瞬时流量，求得由涨落率引起的流量误差如下表：
计算结果表明，当Z达0.25m时，相对误差为3.0%。在水位涨落最大变蝠内，最大涨率所引起的流量误差仍在允许值（3.0%）以内。
4.1.2T0的计算
为满足《规范》对涨落率引起流量误差不得超过3%的要求，取Z=0.22m，并从不利情况考虑，取涨率δz/δt=0.50m/h，则单次测流限制历时为：
4.2单次测流必须历时T的分析计算
4.2.1测流方案的选择和误差计算
峪门口站为三类精度流量站，高水 为36~86，一点法为0.145，首选10线1点60秒方案，按（1）式计算总随机不确定度 ，并算得系统误差，满足 。
。
2.2.2T的计算
根据峪门口站高水期流速仪法实测流量资料统计，测速垂线间距5m。每条垂线所需辅助时间为1.0 min，取辅助时间K为1.5 min，采用10线1点60秒方案。按（2）式计算单次测流必须历时：T=25min，满足T
5结论
从以上分析计算可以看出，高洪测流方案优选，就是寻求m、n、t的最佳组合，满足“限制测流时间≥必须测流时间”和“测流误差≤《规范》规定误差”两个约束条件。在目前测站测洪设备比较单一的情况下，即使用非线性规划法寻优，也不会有更多的方案可供选择，一般经一两次试算即可取得满意的成果，因此试算法选择高洪测流方案具有较高的实用价值。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。