水深測量誤差對流量資料整編精度的影響分析

陳思宇，白 寧

(1.黑河水文局，黑龍江黑河164300;2.伊春水文局，黑龍江伊春153000)

1 前言

水資源的科學合理利用，需要有系統的水文資料，流域流量資料是用途較廣的主要水文資料之一。將某一流域的流量資料通過分析整理，按科學的方法和統一的格式，整編成具有足夠精度的、系統連續的資料過程稱為流量資料整編。水位～流量關系曲線法是流量資料整編中最常用、最基本的方法。水位～流量關系曲線指江河橫斷面上的水位與流量之間的對應關系。即以流量為橫坐標、水位為縱坐標的一條曲線。流量資料整編中最關鍵的部分是繪制準確合理的水位～流量關系曲線，用水位在曲線上推求流量，計算日、月、年平均水資源量及挑選各種流量特征值。分析水位～流量關系的性質和影響因素，可以幫助我們獲取比較合理的，符合河流實際特性的流量數據，以提高流量推算的精度，更好地服務于流域開發、利用和治理工作。影響水位～流量關系曲線的因素雖較多，但主要以流量測驗誤差為主。因河道斷面流量Q=A×V，式中A為斷面面積(A=h×b，h為斷面平均水深，b為水面寬)，V為斷面平均流速，所以流量測驗誤差主要由面積和流速的誤差引起。本文僅以中小河流低水期采用測深桿懸掛流速儀法測流時，水深測量誤差對流量資料整編精度的影響進行實例分析。

2 水深測量誤差對斷面流量、面積和流速的影響

在流量測驗過程中，必須依次測取各測深垂線的水深和垂線間距，以便計算出各部分過水斷面的面積，最后累加成斷面總面積。水文測驗斷面的測深垂線間距一般都是固定不變的，誤差可以忽略不計。低水期采用測深桿觀測水深時，測深桿入水后迎水面產生雍水現象，如果僅從迎水面觀讀水深則觀讀值高于正常值，背水面由于測深桿阻水產生渦流，如果僅從背水面觀讀則觀讀值低于正常值，正確的測量方法是盡可能從側面讀取測深桿在實際水面處的刻度值且采取多次觀讀取均值的方法測得，這樣才能更接近于真值。讀數誤差引起的水深的增大(減小)將直接導致過水斷面面積的增大(減小)。因測深桿懸掛流速儀測量斷面流速時，流速儀入水深度是按已測得的水深值，以一定的比例系數自水面向下按計算深度值來放置，所以，水深觀讀誤差將會進一步導致流速儀入水深度的誤差。又因在斷面垂線上不同深度的水流速度分布形式不同，所以又將產生流速測量誤差。面積和流速的誤差將共同產生流量的計算誤差。下面以實際對比觀測數據來進一步分析測深桿測深誤差對流量資料精度的影響。

2.1 分析方法與數據樣本

流量測驗斷面位于烏云河東風水文站，流量測驗方式采用測深桿(圓柱形)懸掛流速儀涉水施測法。斷面各條測速垂線流速均采用一點法施測，儀器入水深度均為0.6 h測。本次對比觀測共采集了不同水位下10個測次的流量測驗資料，用來檢驗水深測量誤差對流量、面積、流速的影響。實測水深時分別讀取測深桿入水后迎水面、背水面和實際接觸水面的水深讀數，每個測次產生3組流量，面積、流速數據，以在實際水面處觀讀水深測得的數據組作為正常值，詳見表1。

表1 烏云河東風站不同水深觀讀方式測流對比分析表

2.2 測量成果誤差分析

分析表1中的數據可知，在測深桿迎水面觀讀水深時所引起的計算誤差使斷面面積增大，流速減小;在測深桿背水面觀讀水深時所引起的計算誤差使斷面面積減小，流速增大;面積和流速計算誤差共同導致斷面流量值在測深桿背水面觀讀水深時增大，迎水面觀讀水深時減小。根據各組數據分別繪制出3條水位～流量關系曲線，見圖1。由水位～流量關系曲線對比圖可見，在迎水面測深時所形成的水位～流量關系曲線偏向標準曲線的左側，在背水面測深時所形成的關系曲線偏向標準曲線的右側。下面采用數理統計t檢驗法，選顯著性水平a=0.05 m來檢驗2條曲線與標準曲線的偏離程度。

計算公式為:

式中:x1、x2為兩組數據對標準曲線的偏離值，μ1，μ2為兩組系列數據的均值，，為 x1、x2的方差，n1、n2為數據個數。經計算，因臨界值t(1－a/2)=2.10，所以迎水側流量曲線沒有通過t檢驗，已偏離標準曲線，不能與標準曲線進行合并定線。因臨界值t(1－a/2)=2.10，所以背水側流量曲線沒有通過t檢驗，已明顯偏離標準曲線，不能與標準曲線進行合并定線。迎水側與背水側所測得的流量點據與正常曲線的系統偏差分別為－24.2%和39.4%，超出了《水文資料整編規范》規定的測點與曲線系統誤差＜±1%的限制標準。采用迎水側流量曲線推求5月份地表水資源量為103.3萬m3，小于實際水量21.8萬m3，采用背水側流量曲線推求5月份地表水資源量為156.4萬m3，大于實際水量31.3萬m3。可見，不能使用帶有系統偏離誤差的水位～流量關系曲線來推求流域水資源量，否則會帶來較大計算誤差，影響到河流水資源量的有效利用。

圖1 烏云河東風站測深桿涉水測流水位～流量關系曲線對比圖

3 結論

由上述分析可知，雖然有多種因素可以引起流量測驗過程中斷面面積和流速的測量誤差，但水深測量誤差是能夠同時導致二者產生誤差的主要因素。《河流流量測驗規范》將水深測量誤差分別列入斷面測量和流速測量的誤差來源之一，但《規范》在水深測量誤差來源說明中，并未強調測深桿測深時產生的迎水雍水和背水漩渦所帶來的水深觀測誤差問題。實際工作中為方便起見，有時存在測量水深時直接觀讀壅水或漩渦處水深讀數的現象。上述實例分析數據系列長度雖較短，但也可以初步認為，這種觀測習慣會帶來較大的流量計算誤差，將會直接影響到流量資料的有效利用。具體改進建議是除了按前文所述方法正確觀讀水深外，還應該改進測深桿的外形設計，使其外形盡可能成流線型以便減小水流產生的雍水或漩渦現象，另外還應盡可能避開在水流湍急處涉水測流，最好選擇水流相對平緩的臨時斷面來施測，只有這樣才能在最大程度上減少測深桿測深誤差對流量成果資料精度的影響。

［1］水利部長江水利委員會水文局.GB50179－33河流流量測驗規范［S］.北京:中國計劃出版社，1994.

［2］水利部水文局.SL247－1999水文資料整編規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［3］錢學偉，陸建華.水文測驗誤差分析與評定［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［4］曹之樺.水文統計學［M］.北京:水利水電出版社，1984.