流量測驗(yàn)方法簡化分析及應(yīng)用
——以沙里寨水文站為例

程瑞修

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118000)

1 流量測驗(yàn)方法概述

1.1 常用方法分類

流量是指單位時間內(nèi)通過河道某一橫斷面的水體體積。流量測驗(yàn)是掌控江河湖泊水量變化的重要手段，對于水資源規(guī)劃、防洪減災(zāi)具有重要的意義。流量測驗(yàn)方法很多，按測量原理的不同主要分為流速面積法、水力學(xué)法、物理法、化學(xué)法。流速面積法是通過實(shí)測斷面上的流速和過水?dāng)嗝婷娣e來推求流量，如常用的流速儀法、比降面積法、浮標(biāo)法等；水力學(xué)法是通過測量水工建筑物的水力因素，并將其代入相應(yīng)水力學(xué)公式測算流量的一種方法；物理法是利用某種物理量在水中的變化來測定流速，并推算流量，如超聲波法、電磁法等；化學(xué)法則是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，將一定濃度已知量的指示劑注入河水中，利用擴(kuò)散稀釋后的濃度與水流的流量成反比，測定水中指示劑的濃度推算流量。

1.2 流速儀法原理

流速儀法是水文站最常用的流量測驗(yàn)方法，其將河道斷面劃分為若干部分，測算出各部分?jǐn)嗝娴拿娣e，并用流速儀測量、計算出各部分面積的平均流速，兩者的乘積，即為部分流量，各部分流量的和為全斷面的流量，即：

(1)

式中：Q代表河流流量，m3/s；qi代表第i部分流量，m3/s；Vi代表第i部分平均流速，m/s；Fi代表第i部分?jǐn)嗝婷娣e，m2。

實(shí)際工作中，首先根據(jù)河流情況在測流橫斷面布設(shè)若干條測速垂線，再沿各條垂線測定其起點(diǎn)距和水深，推算垂線間部分面積，最后在各條測速垂線上采用多點(diǎn)法測算垂線平均流速，最終求得全斷面流量。

2 方法簡化分析

2.1 測站概況

沙里寨水文站位于鳳城市沙里寨鎮(zhèn)蔡家村，E124°42′，N40°08′，集水面積為4810km2，距大洋河入河口43km。該站為大洋河下游干流站，通過監(jiān)測大洋河的水量、沙量以及各種水文特征，分析暴雨徑流、產(chǎn)匯流關(guān)系，為國家建設(shè)、水資源開發(fā)利用和保護(hù)、下游險區(qū)防汛提供決策依據(jù)，擔(dān)負(fù)著向國家、省、市等防汛領(lǐng)導(dǎo)部門的水、雨、特殊水情等拍報任務(wù)。

2.2 流量測驗(yàn)存在的問題

沙里寨水文站屬于山溪性河流，洪水暴漲暴落，洪峰歷時短暫，水面漂浮物多。若按照河流流量測驗(yàn)規(guī)范規(guī)定，在正常流量測驗(yàn)中存在測流垂線多、測驗(yàn)時間長、漂浮物過多造成流速儀下放困難等問題。其中由于測流時間較長，測流開始水位與結(jié)束水位相差較大，平均水位的相應(yīng)流量代表性較差，且最高水位的相應(yīng)流量不易量測，易造成流量測驗(yàn)中誤差較大。

中泓水面一點(diǎn)法可有效減少流量量測工作量，縮短測量時間，提高洪水報訊的時效性，在洪水流量測驗(yàn)方法簡化中得到廣泛的應(yīng)用。在中泓水面一點(diǎn)法的應(yīng)用過程中中泓水面系數(shù)推算是該方法的重要內(nèi)容，中泓水面系數(shù)的準(zhǔn)確性決定了流量測驗(yàn)的準(zhǔn)確性，也是中泓水面一點(diǎn)法能否替代流速儀測流方法的決定因素[1]。

2.3 中泓水面系數(shù)推算

本次分析數(shù)據(jù)采用沙里寨水文站2018年洪峰過程，共28次實(shí)測流量成果。通過分析實(shí)測垂線流速圖見圖1，確定中泓垂線的起點(diǎn)距。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，選擇流速接近中泓流速的垂線分別與斷面垂線平均流速建立相應(yīng)關(guān)系，并對不同的水位分別進(jìn)行分析，選擇相應(yīng)關(guān)系最好的垂線近似為中泓垂線。結(jié)果表明起點(diǎn)距180m的垂線水面流速為橫坐標(biāo)時(斷面平均流速為縱坐標(biāo))，建立的相關(guān)關(guān)系最好見圖2，因此篩選得到起點(diǎn)距180m的垂線作為中泓垂線

通過圖2可知，兩者的相關(guān)關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)為0.978，回歸方程為y= 0.782x-0.066，因此推得中泓水面系數(shù)為0.782。

3 簡化方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證推算得到中泓水面系數(shù)在沙里寨水文站流量測定的準(zhǔn)確性，用所得中泓水面系數(shù)對28次實(shí)測流量進(jìn)行還原，并以流速儀實(shí)測流量為近似真值，與中泓水面系數(shù)重新計算流量比較，進(jìn)行誤差分析，計算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)誤差統(tǒng)計，因第1次流量起點(diǎn)距180m的垂線誤差較大不參加誤差統(tǒng)計，流量的相對誤差不超過±3.0%的共23次，累積頻率達(dá)到85%。不超過±5.0%的累積頻率達(dá)到100%。根據(jù)《水文測驗(yàn)手冊》中系統(tǒng)誤差的確定方法：當(dāng)各次流量的大小分布不十分均勻，相對系統(tǒng)誤差并非等量存在重新計算流量中時，可分別算出各測次重新計算的流量誤差，將各誤差值由負(fù)到正、有小到大依次排列，統(tǒng)計其累積頻率為50%的誤差數(shù)值，即可視為系統(tǒng)誤差。根據(jù)以上方法統(tǒng)計得到的系統(tǒng)誤差為1.82%<2%，滿足常測法誤差界限，表明中泓水面一點(diǎn)法在沙里寨水文站的測量成果符合測驗(yàn)和報訊要求。

圖1 沙里寨水文站垂線流速分布圖

圖2 起點(diǎn)距180m垂線水面流速與斷面平均流速相關(guān)圖

表1 流速儀實(shí)測流量與中泓系數(shù)重新計算流量對比表

續(xù)表1 流速儀實(shí)測流量與中泓系數(shù)重新計算流量對比表

4 結(jié) 論

為提高沙里寨水文站洪峰流量的測驗(yàn)精度，文章探究了中泓水面一點(diǎn)法在該水文站洪水流量測驗(yàn)方法簡化中的可行性，并利用實(shí)測資料推算了該水文站的中泓水面系數(shù)，通過流速儀實(shí)測流量與中泓水面一點(diǎn)法推算流量的對比分析，采用中泓水面一點(diǎn)法測量誤差滿足《水文測驗(yàn)手冊》要求，測量成果符合測驗(yàn)和報訊要求。

文章計算得到的中泓水面系數(shù)已在沙里寨水文站進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，測量成果也已應(yīng)用于報汛過程。實(shí)際應(yīng)用表明該方法可以減少工作人員工作量，縮短測量時間，計算方法簡單且提高了報訊的時效性，為沙里寨水文站洪峰流量測定及突發(fā)狀況應(yīng)急測驗(yàn)提供了有力支撐。