關于流速儀測流計算及整編資料的探討

□董愛紅 □張金強（新疆水利廳瑪納斯河流域管理處）

1 研究對象

文章當中的研究對象選取瑪納斯河流域，地處準噶爾盆地的西南部，天山北麓中段，東鄰塔西河，西鄰巴音溝河，南鄰依連哈比爾尕山，北鄰古爾班古特沙漠。瑪納斯河干流全長427 km，流域總面積達1.98萬km2，其中山區面積達0.51萬km2，平原面積達1.46萬km2，總灌溉面積達26萬hm2，年平均徑流量為13.11億m3，流域內總人口為68萬人。本次研究中進行水流測量的單位為新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，水文站承擔瑪納斯河的統計分析任務，但是在進行日常測量的過程當中，經常在進行斷面水位流量監測工作時受到嚴重的阻礙，有時水流甚至會出現逆流的情況。因此，文章試采用連實測流量過程線法對流量資料進行整編，進而對新疆水利廳瑪納斯河流域管理處對斷面水流監測的精度予以提升。在流量資料整編的過程當中，采用連實測流量過程線法進行徑流量統計的結果精度較低，實際測量流量的分布能否對河道流量的變化過程進行完全控制，將會對按照實測流量過程線法所進行的流量資料整編精度產生影響。因此，適當對斷面水流流速的測量次數進行增加，能夠對河道流速變化過程進行最大程度上的掌控，進而也能夠提高采用連實流速過程線法的資料整編精度。

2 水流流速測量情況

2.1 斷面水流速監測方法

新疆水利廳瑪納斯河流域管理處的斷面水流速監測工作當中，均采用流速儀對河道流速進行測量，在一年當中所要進行的測流次數要取決于高、中、低各級水位與水情變化過程的轉折點。一般穩定斷面可相對減少測次，但每年測次不得少于15次，而復雜多變的斷面可在每年的5-8月當中，每2天進行一次測量，而在其他月份當中，每3天進行一次測量，同時要滿足推算逐日流量與各項特征值的要求，隨后將全面所測得的所有流速按照測量的時間順序，并采用連實測流速過程線法對資料進行整編。

新疆水利廳瑪納斯河流域管理處在對河道斷面監測時所采用的流速儀測速方法又可分為精測與常測兩種，每月至少采用一至兩次的精測法，而其他時間均采用常測法。精測法指的是按照水流流速測驗規范，在水流斷面布置6條左右測速與測深的垂線，在所有測速的垂線上采用五點法對流速的測點進行分布，對垂線上的平均流速進行計算，進而得到斷面瞬時流速。值得注意的是，在水流斷面所布置的測點不得超過9個，同時單次的測量時間平均在半個小時以上，并在9個測點當中選用1個常測點作為水流流速的測點。常測法是日常采用的測量方法，在精測法的基礎上對流速進行實際監測后進行精簡分析，在斷面上布置8-9條測速與測深的垂線，在所有測速垂線上采用一點法將流速的測點進行分布，通過垂線對平均流速進行計算，從而得到水流斷面的瞬時流速。在采用常測法進行斷面水流的監測過程當中，斷面水流的測點數不得超過6個，同時單次測量時間平均在半個小時以上。

2.2 資料整編問題

在采用流速儀進行水流監測時，精測法與常測法均能夠滿足河道水流速單次測量精度的要求，但是在測次的分布當中，2-3 d的水流速測次分布并不一定能夠對這段時間內的水流速變化過程進行準確測量，在采用連實測流速過程線法對水流速資料進行整編時，年、月、日水流流速的推算結果必然存在較大的誤差。如果采用流速儀的同時將精測法與常測法的測次增加，則能夠將水流速日變化的進程進行準確反映，進而也能夠提高水流速資料整編以及統計結果的精度，但是也會增加水流速每日測驗的工作量。以目前新疆水利廳瑪納斯河流域管理處的人員情況來看，根本無法完成這項工作，因此就要針對當下的實際情況，為提高水流速統計結果的精度，就要采用不僅符合水流速測驗精度，也能減少測流工作量與時間的測驗方法，即為斷面流速代表垂線法。

3 斷面流速代表垂線法測驗水流速的分析

代表垂線法指的是通過精測法對水流速進行實際測量后所得資料進行統計，并且找到1-2條能夠代表斷面平均流速的測速垂線，對斷面流速進行測驗時，就可以只對代表垂線進行平均流速的統計即可，隨后將代表垂線的平均流速與過水斷面面積相乘，即可得到斷面水流量的準確數據。這樣一來，既能夠降低單次水流測速的工作量，同時也能有效縮短測驗時間，與此同時，將代表垂線法與精測法進行測量的水流速進行比較后能夠發現，測驗的誤差能夠在規定的合理范圍之內。

3.1 流速代表垂線的分析

文章當中所分析的代表垂線，選取新疆水利廳瑪納斯河流域管理處2006-2007年間所采用的33次精測法對水流速進行實際測量的統計數據，對斷面上與起點距離2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m以及18 m處的測速垂線平均流速與水流斷面的平均流速進行對比分析。由分析結果能夠明顯看出，所選取的各條測速垂線以12 m處垂線的平均流速與斷面水流平均流速差異不顯著，因此可以選取12 m處測速垂線作為斷面水流平均流速的代表垂線。見圖1。

圖1 代表垂線平均流速與斷面平均流速相關關系圖

斷面平均流速與代表垂線平均流速的關系公式為

V=25.39×10-2n+0.89×10-2，n=N/T

在上述公式當中，N代表總轉數，T為相應的總歷時。

3.2 過水斷面面積的選取

瑪納斯河流域當中的含沙量與含泥量較小，所監測的水流斷面處流速較慢，河床沖淤的變化不顯著。在不同時間段的河堤高程對比分析結果當中可以看出，監測處的水流斷面河床較為穩定，斷面水位與過水斷面面積的關系顯著，因此在采用代表垂線進行水流監測時，可以借鑒精測法對于水流速測驗的水深進行過水斷面面積的計算。

3.3 流速代表垂線法與精測法的對比分析

在以往采用精測法進行實際測量并計算的統計數據當中，采用斷面平均流速與代表垂線平均流速的關系式進行計算后，能夠得出斷面水流平均流速與過水斷面面積相乘之后的結果，將所得結果與精測法的實際測量水流速結果進行對比分析后，針對流速代表垂線法流速測驗的誤差進行評估。

4 結語

本次研究當中針對流速儀的測流計算采用了流速代表垂線法進行分析，代表垂線當中所測量的垂線平均流速能夠代表斷面的平均流速，同時符合我國相關規定。采用代表垂線法以后，每次測量時僅需要將垂線上設置3-5個測速點，單次測驗時間可縮短至15 min，不僅精度誤差較小，同時也能大幅度減少新疆水利廳瑪納斯河流域管理處所要承擔的工作量，解決了人員少與工作量大之間的硬性矛盾，可以在全國范圍內進行廣泛的推廣與應用。

[1]張照余.聲學多普勒測流儀在平原感潮河段測驗中的穩定性驗證[J].浙江水利科技，2006，06：47-49.

[2]宋志宏，胡國棟.徐六涇潮流量測驗及整編技術研究[J].水文，2008，02：32-37.

[3]朱巧云，高健，劉桂平，徐健.長江河口段徐六涇水文站潮流量整編代表線法研究[J].水文，2008，04：61-64.