水文流量測驗水深測量誤差

蔣國民 仇東山 劉銘 濟(jì)南市水文局

1.項目簡述

機床二廠水文站是濟(jì)南市興濟(jì)河上游關(guān)鍵控制站，建于2014年，集水面積67.4KM2,監(jiān)測斷面上下游河道規(guī)整，該站擔(dān)負(fù)著在汛期對下游4KM處的臘山分洪工程提供分洪決策的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，該站屬于山洪季節(jié)性河流，河道來水主要集中在每年的7-9月份主汛期，每逢大雨，水勢陡漲陡落，水位、流量變化較快，監(jiān)測數(shù)據(jù)極易出現(xiàn)誤差。

機床二廠水文站目前采用雷達(dá)水位計監(jiān)測水位，電波流速儀人工測驗流量。

機床二廠大斷面圖如圖1。

測深、測速垂線分布起點距3、7、11、15、19、23、27 m 共計7條

該水站是興濟(jì)河上游的關(guān)鍵控制站，主要的作用就是水位、流量等部分的測定和報訊，給當(dāng)?shù)睾恿飨掠蔚姆篮榭购岛退畮旌侠淼氖褂锰峁┝己玫幕A(chǔ)條件。經(jīng)過資料分析，水流量關(guān)系圖存在著一定的偏差，導(dǎo)致了流量計算數(shù)據(jù)存在較大的偏差。

2.水道斷面測量誤差的來源及控制

水道斷面測量數(shù)據(jù)偏差主要是由于測深垂線設(shè)置數(shù)目、水深數(shù)據(jù)和水面寬度等。

2.1 測深垂線布設(shè)

圖1

根據(jù)數(shù)據(jù)誤差傳遞角方面來分析，水深測量的偏差直接傳遞給水道面積，然后會影響流量。在斷面平均速度達(dá)到規(guī)定的數(shù)據(jù)之下，面積所造成的誤差會導(dǎo)致流量產(chǎn)生相同的誤差。為了使得斷面數(shù)據(jù)的精確度，就要通過使用較多的垂線來進(jìn)行河床變化轉(zhuǎn)折點的控制。從目前的水利工程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中確定，在進(jìn)行測深垂線數(shù)目的精簡應(yīng)該按照精密探測的數(shù)據(jù)資料來進(jìn)行，精密測深的資料中垂線的布置應(yīng)該不能少于精測中布置垂線的2倍。按照該標(biāo)準(zhǔn)的要求，該水站在2014年進(jìn)行密測深誤差試驗。從資料的精簡分析，精簡之后所測深垂線數(shù)量相對平均差和相對標(biāo)準(zhǔn)差詳見表1。

表1 測深垂線精簡誤差統(tǒng)計表

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，面積測驗精度會伴隨著測深出現(xiàn)數(shù)量的增多而逐步提升，在水邊到5條的情況下，相對標(biāo)準(zhǔn)差不超過2.0%；在垂線數(shù)量確定為7條是，相對誤差不超過1.0%。經(jīng)過試驗分析可以發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)脑黾訙y深垂線的數(shù)量，操作比較簡單，能夠從根本上提升面積測驗數(shù)據(jù)的精確度。在該水文站中的流量數(shù)據(jù)測驗過程中，通過測深和測速垂線的設(shè)置方式，確定該地區(qū)中的測深垂線數(shù)量在高、中、低水分分別應(yīng)不少于5、7條，并且要保證其均勻分布到測量區(qū)域內(nèi)，對于主槽來說，要比灘地布置密集。

2.2 水深測量

水深測量應(yīng)用的是浮子式水位計監(jiān)測來進(jìn)行，導(dǎo)致該數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)偏差的主要原因就是浮子式水位計豎井前壅水以及豎井進(jìn)水孔被雜物堵塞等，同時還與浮子式編碼傳感器、懸索的穩(wěn)定性等有著直接的關(guān)系。為了能夠保證測量數(shù)據(jù)精度，避免出現(xiàn)偏差的問題，2016年把浮子水位計改為雷達(dá)式水位計，按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)操作。通過多次與直立水尺比測，基本能解決浮子式水位計所導(dǎo)致的誤差問題，計算測深的相對標(biāo)準(zhǔn)差為1.4%，相對平均誤差為0.24%。從這個方面發(fā)現(xiàn)，該水站的雷達(dá)式水位計完全達(dá)到要求。

2.3 水面寬測量

該水站中的水面寬度尺寸通過每年的大斷面測量讀取，誤差主要是因為河道大斷面淤積、河道整治產(chǎn)生的斷面變化。為了能夠避免誤差問題的存在，該水站在每年的汛期之前進(jìn)行大斷面以及測深、測速垂線的的糾正，保證其布設(shè)和垂直度合格。為了充分的了解該水站的測寬面積所產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)，在2014年技術(shù)人員應(yīng)用全站儀來進(jìn)行大斷面以及測流垂線的檢測，總計對比分析了148條垂線，確定測寬隨機不確定為2.0%，系統(tǒng)不確定度為0.12%。從這個方面發(fā)現(xiàn)，整個地區(qū)的的測速、測深垂線可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求。導(dǎo)致面積測量存在誤差的原因除了上述幾個方面之外，洪水期水位漲落過大、淤泥量大、測流時間等都是主要原因，所以需要合理的調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)的精確度。

3.流速測驗的誤差來源及控制

3.1 測點流速誤差

該水站中的常規(guī)測流速的歷時一般為100s最為合理，特殊條件之下應(yīng)該采用一點法進(jìn)行測速，最好是選擇0.6或0.5一點法，歷時控制在80～30s之間，此時應(yīng)該根據(jù)實際的測量需要來確定測速、測深垂線，以更好的減少測點流速對于測量誤差所產(chǎn)生的影響。洪水期間內(nèi)水位漲落比較大，通過增加測速歷時來提升測量精度的方式是不可取的，因為這會導(dǎo)致測流歷時的延長，進(jìn)而導(dǎo)致水位通過近似計算法會導(dǎo)致流量數(shù)據(jù)存在過大的偏差。

3.2 垂線測點流速測驗

從本站內(nèi)的2014年所設(shè)置的3條5點法垂線資料分析，需要進(jìn)行流速測點的精簡處理。按照規(guī)范的要求，計算表1中的各種方法所獲取的數(shù)據(jù)，總結(jié)出表2中的數(shù)據(jù)偏差。

根據(jù)上表2中的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該水站內(nèi)應(yīng)用三點法來進(jìn)行測算數(shù)據(jù)精度最高，為了能夠選擇最佳的測速方案。其次是兩點法，這兩種測量方法的數(shù)據(jù)精度完全能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求；一點法中的測速偏差超出規(guī)范要求，不要選擇該測量方法；一點法測速方式應(yīng)用中，0.6一點法精度最高，其次是0.5一點法。在達(dá)到測流精度的基礎(chǔ)之下，還應(yīng)該選擇使用經(jīng)濟(jì)性、實用效果，所以該水站在低水期或者水量調(diào)度時期中測點流速應(yīng)該采用三點法來進(jìn)行，應(yīng)用的是0.6一點法完成測量。

3.3 浮子式水位計阻水對水位的影響

對于浮子式水位計阻水與懸桿入水對于流速所產(chǎn)生的較大影響，經(jīng)過2016、2017年的大水試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，通過浮子式水位計監(jiān)測的水位受豎井阻水以及進(jìn)水孔容易被雜物堵塞，使浮子水位計監(jiān)測水位數(shù)據(jù)偏高，最大偏高0.30m以上，懸桿測流中的流速結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，因為懸桿入水結(jié)構(gòu)部分的天然場干擾影響比較小，并且其偏差在1.0%以下，為了能夠使得偏差有效的降低，對機床二廠監(jiān)測斷面采用高精度的雷達(dá)水位計，消除浮子式水位計由于壅水產(chǎn)生的水位偏差。

表2 不同測速方法誤差統(tǒng)計表

4.結(jié)語

水位流量數(shù)據(jù)是重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)該在實踐中采用合理的措施以提升數(shù)據(jù)測量精度，本文以某水站為案例展開分析，確定測算精度最高的幾種措施，以更好的滿足水量數(shù)據(jù)的應(yīng)用需要，促進(jìn)我國水利領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。