王 磊，王海荣

(1.黄河水利委员会上游水文水资源局，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省临洮水文站，甘肃 临洮 730500)

0 引言

黄河河源区地广人稀[1]，站点稀疏，条件艰苦，开展水文测验的难度较大。黄河站是黄河第一支流热曲的控制站，地处青藏高原河源区，海拔高(4 200 多米)、气候寒冷、空气中含氧量极低、交通不便，职工工作生活条件很差，由于流量测验方法较为传统，加之黄河站距离玛多巡测基地较远，所以流量测验任务较重，黄河站非汛期流量测验方式已经经过优化，多年使用情况良好，并且黄河站没有泥沙测验项目。2019年9月18日习近平总书记在郑州座谈会时提出；“黄河流域生态保护和高质量发展”重大国家战略时讲到：“改善黄河流域生态环境要系统治理、源头治理，在‘中华水塔’的青海、在黄河源头做好工作尤为重要”[2]。在科技高速发展的今天，新型水文测报仪器在黄河源区的运用越来越广泛，逐渐满足巡测需求。为了解放生产力、改善职工工作生活条件、减少人为活动对生态环境的影响，黄河水利委员会上游水文水资源局把黄河源区水文测验全面巡测工作提上日程的时候，黄河站流量测验方案的优化、简化十分必要。

1 基本情况

1.1 测站概况

黄河站由黄河水利委员会于1978年8月设立为基本水文站，是黄河支流热曲的控制站，属三类精度水文站，位于青海省国家自然保护区玛多县黄河乡。地理坐标位置：东经98°16′04.7″、北纬34°36′06.3″，集水面积为 6 446 km2，实测资料系列为1980-2020年。属高原大陆半湿润气候，高寒缺氧、冰期时间长，多年平均降水量300 mm，年平均气温-4℃，是黄河上游最艰苦的水文站之一，交通、通讯条件差。

1.2 河道及水文特性

测验河段基本顺直，对水流有较好控制，基本水尺断面上游350 m为热姜大桥，下游1 km 处有弯道，弯道处有一浅滩，对水流影响不大。基上约1km处左岸有黑河汇入，2 km处有一支沟加入，雨季有水，但对本站流量影响不大。本站河床由粗砂组成，河床稳定，基本水尺断面以上两岸岸坡较陡，草皮覆盖。中低水断面冲淤变化较小，断面稳定，高水时变化较大，涨冲落淤。基上100 m、基下100 m为比降上、下断面，基上350 m、基下250 m为浮标上、下断面。属山溪性河流，水位、流量变化不大，该站处于黄河流域高纬度地区，气温较低，大水主要发生在6-9月，其余时间流量大多在50 m3/s 以下，水位平稳。该站水位～流量关系多为单一线，关系较为稳定。

1.3 测报设施设备现状及测验方式方法

1.3.1 设施设备现状

黄河站测验项目有降水量、水位、水温、流量。基面采用 1985 国家高程基准。基本水尺设于左岸，为直立式水尺，角钢，水泥底座，5支，控制水位变幅4 202.81～4 205.96 m，用于人工观测水位。上比降为直立水尺位于左岸基上100 m；下比降为直立水尺位于左岸基下100 m，基本断面和基上100 m右岸设雷达水位计。流量测验有流速仪、浮标、ADCP、RG-30测流系统。

1.3.2 测验方式方法

水位：(1)基本水尺，设于左岸，采用直立式水尺，人工观测，水位控制范围4 202.81～4 205.96 m；(2)雷达水位计，设于基本水尺断面右岸，水位控制范围4 202.76～4 205.16 m。非汛期采用巡测，4月、11月每月巡测2次，1-3月、12月每月巡测1次。流量：(1)用走航式ADCP(当含沙量小于 5 kg/m3时适用)进行流量测验，ADCP三体船用水文缆道拖拽。(2)用水文铅鱼缆道进行流量测验。汛期的5-10月，每月测流2～3次，按水位变化均匀布置测次，年测次不得少于20次，当出现较大的洪峰过程时应增加测次。当水流情况发生明显变化，改变了水位流量关系时，应根据实际情况适当增加测次。非汛期4月、11月每月测流2次，1-3月、12月每月测流1次。浮标在发生大洪水时采用；RG-30测流系统正在调试比测中。

1.4 水文特征值

根据1980-2020年实测水文资料统计，黄河站多年平均降水量为325.8 mm，最大年降水为576.5 mm(2009 年)，最小年降水为189.3 mm(1988年)；最大日降水45.0 mm(1994年8月16日)。黄河站多年平均径流量为6.04亿 m3，5-10月多年平均径流量为3.37亿 m3；最大年径流量为14.05亿 m3(2009年)，最小年径流量为2.153亿 m3(1995年)；最大流量 640 m3/s(2007年6月21日)，最小流量为 0.14 m3/s(1991年1月1日)。

2 资料的选用

本研究选用具有代表性、一致性和可靠性的实测资料和整编成果资料，进行水位级划分，确定低水、中水和高水；套汇历年水位流量关系曲线，通过对历年水位流量关系曲线的分析，该站各年份水位流量关系均呈单一线，年内关系稳定，低水部分相对较为集中，中、高水分成两个系列，2015年前后水位流量关系线相比较有明显的系统偏离，此形成原因为2015年前测流方式为基上350 m处桥上悬杆测流，由于桥墩等外界不确定因素的影响，桥上测流存在一定误差，在2016开始基上100 m处缆道测流后，逐渐形成稳定水位流量关系。所以所有实测资料系列无法建立历年综合水位流量关系线，根据《水文巡测规范》(SL 195-2015)第4.2.6条规定[3]，所以本次优化分析选用资料为2016-2020年共5年的水文资料，分析的时段为每年5～10份。

3 断面冲淤变化分析

3.1 同水位下面积分析

黄河站河床由粗砂组成，河床稳定，基本水尺断面以上两岸岸坡较陡，草皮覆盖。中低水断面冲淤变化较小，断面稳定，高水时变化较大，涨冲落淤。本次优化分析，选择断面水位为4 204.40 m(相应流量约为80.7 m3/s，该水位下平均断面面积为83.5 m2)计算在同一水位下的面积。黄河站2016-2020年测流断面为基上100 m处断面，绘制基上100 m测流断面同水位(4 204.40 m)时计算的面积变化过程，详见图1。

图1 黄河站基上100 m测流断面同水位(4 204.40 m)时面积变化图

从图1可以看出，2016年面积为75.5 m2，偏小于均值9.60%；2017年面积为82.2 m2，偏小于均值1.58%；2018年面积为76.1 m2，偏小于均值8.88%；2019年面积为84.1 m2，偏大于均值0.69%；2020年面积为99.7 m2，偏大于均值19.4%。发现2016-2018年偏小，2019、2020年偏大，但总体上冲淤相互抵消，基本上处于平衡状态。

3.2 大断面图套绘分析

黄河站2016-2020年，断面各垂线最大冲淤变化出现在右岸105 m处，其值为1.70 m，断面冲淤变化计算详见表1。主流河床部分年际间的最大冲淤变化在0.24～1.70 m 之间，详见图 2。

表1 黄河站2016-2020年断面冲淤变化计算表

图2 黄河站历年大断面套绘图(基上100m流速仪测流断面)

4 水位流量关系曲线分析

4.1 水位分级

黄河站实测历史最低水位为4 203.51，最高水位为4 206.06 m，采用《水文站测验方式方案编制技术导则》(黄水测〔2013〕39 号)1.0.7条进行划分[4]，确定当水位在4 204.15 m以下时为低水，流量为10.6 m3/s，水位在4 205.32 m以上为高水，流量为276 m3/s。占历年水位变幅(2.55 m)80%以上。

4.2 历年综合水位流量关系曲线分析

将2016～2020年5年的水位流量关系曲点绘相应的单一线，通过计算，各相邻年份关系线间的偏离值均较小，高水最大偏离值0.0%以内、中水最大偏离值在6.6%以内。从而说明，高中水均满足《水文巡测规范》(SL 195-2015)4.5.8条规定[3]。详见图3、表2。

图3 黄河站2016-2020年水位流量关系曲线套绘图

表2 黄河站2016-2020年水位流量关系曲线表

计算2016、2017、2018、2019、2020年各年关系曲线与经过单值化处理的综合关系曲线之间的误差，结果详见表3。从表3可以看出各年关系线与综合水位流量关系曲线间的偏离值均较小，高水最大偏离值0.0%以内，中水最大偏离值在6.6%以内。从而说明，高中水均满足《水文站测验方式方案编制技术导则》(黄水测〔2013〕39 号)3.4.2条单一线定线允许误差指标[4]。建立综合水位流量关系曲线见图4；水位流量关系曲线推算表，见表4。

图4 黄河站综合水位流量关系曲线图

表3 黄河站2016-2020年各年关系曲线与综合线间的误差计算表

表4 黄河站综合水位流量关系曲线推算表

5 误差评估

5.1 综合水位流量关系曲线三种检验

将黄河站2016-2020年实测流量资料共68次进行关系曲线检验，误差分析，最大偏离测点为18.8%，大于8%的测点仅9个，有87%的测点在8%的范围内。符号检验、适线检验分别为0.12和-1.95，系统误差为0.08%，测点标准差为5.23%，不确定度为10.5%。均符合《水文站测验方式方案编制技术导则》(黄水测〔2013〕39 号)[4]及《水文巡测规范》(SL 195-2015)相关允许误差指标，见表6。说明了测点在综合水位～流量关系曲线两侧集中分布，密集成带状，是较为理想的综合水位流量关系曲线。说明建立的综合水位流量关系曲线标准差均小于《水文资料整编规范》 (SL/T 247-2020)中关于曲线定线要求[5]。

表6 单一线法定允许随机不确定度

5.2 时段水量分析

计算黄河站2016年至2020年5至10月当年实测水量和采用综合水位流量关系曲线法推得的水量进行分析，见表7。

表7 黄河站5-10月份实测水量与综合线推得水量误差计算表

从表7可以看出，相对误差均在5.1%以下，满足《水文站测验方式方案编制技术导则》(黄水测〔2013〕39 号)3.4.3三类精度水文站小于6%的要求，见表8。

表8 时段总量允许误差指标(相对误差%)

6 优化测验方案

根据分析得出：黄河站流量测验优化方案：汛期，当流量在355 m3/s，相应水位4 205.32 m以下时，汛期实行流量间测，间测期间每年进行流量检测3～5次，以校核水位流量关系综合线。当出现特殊情况或流量超过355 m3/s(相应水位4 205.32 m)以上时，恢复正常测验，并进行资料分析，延长本方案适用范围；非汛期，根据《黄上水技便〔2015〕第 9 号》优化方案的补充规定[6]，枯水期的1-3，12月停测，采用多年月平均流量退水曲线推流表推流。4月及11月一般按照该站水位～流量关系曲线推流，如遇到特殊情况(开河、封河)，则需要进行巡测(每月定时测流1～2次)，巡测日期为：11月(7-10日、25-27日)，4月(9-10日、26-27 日)，测流次数为每日一次。

7 结语

根据上述分析结果，黄河站在不降低测验精度、满足规范要求的前提下，通过水位流量关系曲线单值化分析，汛期流量实现间测，非汛期采用优化后的巡测方案，有效地解放生产力，使人员、技术和经费等资源得到优化配置，为尽早实现黄河源区“大巡测”提供技术支撑。对于加强黄河源区生态环境建设与保护、改善职工工作生活条件、保障职工生命安全具有积极的意义。同时，随着社会发展的需求，对水文资料的精度要求越来越高，积极推进水文测验方式优化工作，提升水文测报效率，有利于提升水资源管理水平，保证日常水文工作稳定发展。