魯臺(tái)子水文站手持電波流速儀系數(shù)率定分析

陳海濤

（安徽省阜陽水文水資源局，安徽 阜陽 236000）

1 引言

水文測流設(shè)備隨著科技的發(fā)展，變得越發(fā)先進(jìn)、易操作，水文站運(yùn)用先進(jìn)測流量設(shè)備可以節(jié)省人力，物力，還解決了某些特殊情況下傳統(tǒng)的流速儀無法施策的問題。魯臺(tái)子水文站水面經(jīng)常有風(fēng)浪影響，且過往船只也較多，運(yùn)用傳統(tǒng)的流速儀不僅耗費(fèi)精力，且施策有一定的安全隱患。采用手持電波流速儀可以較大減少測流時(shí)間，提升測流效率，可以應(yīng)急測流使用，尤其對(duì)于水位過高出現(xiàn)的灘地施測流量非常適用。依據(jù)河流測驗(yàn)規(guī)范，各種測流方法所使用的儀器在投入使用前，應(yīng)與流速儀進(jìn)行比測率定。因此，文章依據(jù)相應(yīng)實(shí)測資料對(duì)魯臺(tái)子水文站手持電波流速儀進(jìn)行對(duì)比分析與系數(shù)率定，為該站使用電波流速儀在搶測流量時(shí)提供了可靠的參考依據(jù)，提高流量測驗(yàn)的可信度。

2 測站簡介與特性

魯臺(tái)子水文站屬于一類精度站，位于淮河中游上，全年駐測，觀測項(xiàng)目齊全，工作任務(wù)重，集水面積88 630 km2，多年平均水位是18.15 m，多年平均流量714 m3/s，距下游河口294 km，匯入洪澤湖。

測驗(yàn)斷面為復(fù)式斷面，大體呈“U”型。斷面主流方向基本穩(wěn)定，河床土質(zhì)為砂壤土，稍有沖淤變化。流速儀測流斷面在本站基本水尺斷面下游105 m 處，上游12 km 處左岸有潁河匯入，18 km 處右岸有淠河匯入。受洪水波附加比降的影響，淮河河道水位與流量往往不是單一關(guān)系而是呈繩套關(guān)系。水位流量關(guān)系因受洪水漲落和回水頂托的影響非常明顯，洪水漲落時(shí)相同流量的水位差別較大，即繩套變化幅度較大。

3 電波流速儀系數(shù)分析與檢驗(yàn)

3.1 分析數(shù)據(jù)選取

文章選取魯臺(tái)子水文站2020、2021 年共21 份（2020 年9份，2021 年12 份）流量比測試驗(yàn)資料，選取的流量資料均排除明顯的系統(tǒng)偏差，且測驗(yàn)水位流量均勻布設(shè)在水位級(jí)的各個(gè)時(shí)期，水位變幅從18.12 m 至19.96 m，變幅1.80 m，流量變幅在465 ～1 950 m3/s，變幅達(dá)1 500 m3/s，測驗(yàn)儀器采用轉(zhuǎn)子式LS25-3A型流速儀。

3.2 分析方法

依據(jù)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定，暢流期水面系數(shù)率定選用多點(diǎn)法測速資料與水面流速資料進(jìn)行分析確定。文章對(duì)水面流速系數(shù)分析如下：選擇轉(zhuǎn)子式流速儀計(jì)算所得流量作為斷面流量的參考值，將電波流速儀所得的虛流量與參考值進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)結(jié)果建立回歸方程，最終確定電波流速儀的系數(shù)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行三項(xiàng)檢驗(yàn)，確定是否符合規(guī)范要求。

3.2.1 分析過程

此次試驗(yàn)共21 份流量比測資料，將轉(zhuǎn)子式垂線平均流速所得流量與相應(yīng)的電波流速儀水面測點(diǎn)流速所得流量進(jìn)行比值，即可得到水面流速系數(shù)。具體率定成果如表1～2和圖1～2：

圖1 魯臺(tái)子2020年水面系數(shù)相關(guān)關(guān)系圖

表2 魯臺(tái)子水文站2021年轉(zhuǎn)子式與電波流速儀比測資料表

3.2.2 比測系數(shù)過程分析

兩年中，各年實(shí)測流量與虛流量的比值范圍相對(duì)較為固定，求得的比測系數(shù)范圍0.82～0.92，求算術(shù)平均系數(shù)為0.87；相關(guān)系數(shù)圖中，二年中回歸方程斜率均在0.87 附近，相關(guān)系數(shù)R均近似等于1，相關(guān)性好，將相關(guān)圖中的斜率（即系數(shù)）算術(shù)平均，可得電波流速儀的系數(shù)為0.87。

現(xiàn)將分析得出的電波流速儀系數(shù)進(jìn)行三重檢驗(yàn)與誤差分析，將試驗(yàn)資料中的電波流速儀虛流量分別乘以水面系數(shù)0.87得到Qi。

通過三重檢驗(yàn)成果可知，魯臺(tái)子站電波流速儀系數(shù)通過三重檢驗(yàn)，流速儀系數(shù)的系統(tǒng)誤差為0.40%，隨機(jī)不確定度為3.40%。依據(jù)《河流流量測驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定：魯臺(tái)子為一類精度水文站，根據(jù)誤差要求分析，魯臺(tái)子水文站分析計(jì)算得出的誤差均在規(guī)定范圍之內(nèi)。

3.3 比測結(jié)果分析

試驗(yàn)得出的電波流速儀流速系數(shù)為0.87，科學(xué)合理。并且通過誤差分析與檢驗(yàn)，符合規(guī)范要求，得出的系數(shù)可信度較高。以下是對(duì)試驗(yàn)的不足與結(jié)論分析。

3.3.1 此次試驗(yàn)不足

①因魯臺(tái)子站斷面較寬，中高水時(shí)流速較大，采用流速儀法施測耗費(fèi)人力，時(shí)間，且存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，故采集所得的此次分析的試驗(yàn)資料次數(shù)不多。②此次比測資料水位變幅范圍穩(wěn)定在2 m 之內(nèi)，施測水位流量基本選用在中高水期，對(duì)于枯水與高水分析不足可能對(duì)分析結(jié)果有一定的影響。

圖2 魯臺(tái)子2021年水面系數(shù)相關(guān)關(guān)系圖

3.3.2 率定結(jié)論

①淮河水流常年流速較大，且逆流情況極少等水流特性較為符合電波流速儀使用范圍。②比測計(jì)算表中可得，系數(shù)范圍在0.81～0.91之間跳動(dòng)，說明系數(shù)穩(wěn)定度不是很高，日后還需更多試驗(yàn)資料進(jìn)行率定。③電波流速儀在受測船擺動(dòng)影響較大，因此，使用時(shí)應(yīng)盡量固定流速儀的探頭位置，且大風(fēng)雷電天氣應(yīng)盡量減少使用。

4 結(jié)論

通過對(duì)魯臺(tái)子2020、2021年兩年比測資料分析，魯臺(tái)子電波流速儀系數(shù)為0.87，且線性關(guān)系好。通過對(duì)結(jié)果進(jìn)行三重檢驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析比較，該系數(shù)科學(xué)合理地，滿足誤差要求，采用電波流速儀為魯臺(tái)子水文站施測流量提供了全新方法，在保證流量資料精度與可信度的前提下節(jié)省了人力，時(shí)間，提高了安全性。