黃河山東測區汛期流量測驗誤差分析研究

孟憲靜，李作安

（黃河水利委員會山東水文水資源局，山東 濟南250100）

1 流量測驗方法

自2017 年以來，黃河山東測區逐步推廣了聲學多普勒（ADCP）用以小含沙量時期流量測驗，但汛期中高洪水及含沙量較大時期仍以流速儀法測流為主，各水文站流速儀法大部分時間為常測法，同時還布置適當次數精測法，主要目的是試驗研究常規測驗方法存在的誤差，兩種方法主要區別見表1。

表1 流速儀法流量測驗測線與測點布設

2 測驗方法誤差分析

2.1 資料的收集

本次分析收集了各水文站自小浪底水庫2002 年運行以來的精測法流量整編成果，所收集的資料基本滿足分析要求，且包括了高、中、低各級洪水，保證了資料的一致性、可靠性、代表性。

2.2 Ⅱ型誤差分析

2.2.1 分析方法

Ⅱ型誤差是指因垂線上測點數不夠，不能完全控制流速沿垂線的垂向分布，所產生的垂線平均流速的計算誤差。分析方法主要是用精測法資料分析垂線流速沿水深的變化規律，以十一點法（或五點法）作為近似真值，計算各選點法垂線平均流速的系統誤差、標準差、置信水平為95%的不確定度，根據需要建立一點法與垂線平均流速的數學模型，并對模型進行精度評估。流速儀法Ⅱ型誤差及不確定度按《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）中的（B.11.10-1）、（B.11.10-2）和（B.11.10-3）公式估算[1]。

2.2.2 流速沿垂線分布規律分析[2]

天然河道中，暢流時一般水面的流速大于河底，且垂線流速分曲線呈一定的形狀，主要分布模型有拋物線型、對數型、橢圓型、指數型等，但這些理論上的模型在使用時都具有一定的局限性，黃河山東測區流速沿水深的分布基本一致，其規律主要表現為以下幾種情況：

1）流速垂向分布表現為由水面向河底逐漸遞減，但從遞減幅度看，流速大時變化梯度較大，流速較小時分布相對均勻，變化梯度也相應較小。一般情況下，最大測點流速為水面流速，少量的垂線在相對水深0.2 位置處，符合流速沿水深變化的一般規律。

2）少數時間出現中間大，水面與河底處流速較小的情況，垂線分布呈拋物線型，產生這種情況原因主要是受河槽沖刷影響，一般水深較深，水面與河底流速脈動相對較大，垂線流速出現不均勻變化，這主要是受特殊水流、脈動、地形、河底沖刷、含沙量變化等因素影響。

（ 來源：《新華每日電訊》 2018-08-10 http://www.xinhuanet.com//mrdx/2018-08/10/c_137380928.htm ）

2.2.3 分析結果及評判

黃河山東測區垂線平均流速測驗一般采用的常測法為二點法或三點法，一點法主要應用于垂線水深不足或應急監測。本次以五點法垂線平均流速作為近似真值，統計分析一點法、二點法、三點法測得垂線平均流速與五點法流速之間的誤差、標準差及置信水平為95%的不確定度，各水文站常規測驗方法的Ⅱ型誤差均按照一類精度水文站中水級進行評判（見表2）。

表2 黃河山東測區各水文站常測法Ⅱ型誤差統計表

2.3 Ⅲ型誤差分析

2.3.1 分析方法

Ⅲ型誤差是指因斷面上測速垂線數不夠，不能完全控制流速沿斷面的橫向分布，所產生的斷面平均流速的計算誤差。分析內容包括：

1）在對取得的試驗資料（不少于20 次）進行分析計算時，采用已消除了不穩定因素的流速和相應水深，按平均分割法計算流量，作為流量的近似真值。

2）對同一測次，根據斷面形狀和橫向流速分布，確定對流量精度影響較大的垂線作為保留垂線，再按均勻抽取垂線的原則，根據實際需要精簡一定數目的垂線，再計算少線流量。

3）統計計算各精測法與現采用的常測法（不低于流量規范測速垂線條數）的測速垂線布設方法的流量測驗成果，分析計算二者的誤差、標準差、置信水平為95%的不確定度。

按《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）中的（B.11.12-1）和（B.11.12-2）公式估算流速儀法的Ⅲ型誤差[1]。

2.3.2 流速沿垂線分布規律分析

水流在主槽運行時，流速沿河寬分布較為規則，一般情況下，主流位置流速較大，邊灘流速較小，垂線平均流速沿河寬的變化與斷面形狀有關，一般情況下，水深較大處流速也大，水淺的地方流速也小。同時，流速與河底的沖刷有密切的關系，流速較大的地段，河床一般表現為沖刷，反之，河床表現為淤積。此外，流速沿斷面的橫向分布還因河道特點和斷面沖淤的變化有著不同的規律，斷面上出現的特殊水流——“漣子水”表現出特殊的現象，雖然河底沖刷嚴重，但其表現出垂線流速上小下大，垂線平均流速反而較小。受水流脈動以及水流造床能力的影響，垂線平均流速有時呈現不規則的跳躍現象[2]。

2.3.3 分析結果及評判

洪水在主槽運行時，各水文站常測法根據河寬一般布設12～14 條測速垂線，測速垂線大致均勻分布，基本控制斷面地形和流速沿河寬分布的主要轉折點，無大補大割情況。為避免測速垂線數目引起的隨機誤差和系統誤差對流量影響過大，斷面內任意兩條相鄰測速垂線的間距與高、中、低水位時總水面寬的比例控制在7%～10%之間。統計計算按照常測法精簡后流量值，分析各水文站常測法系統誤差、標準差和置信水平為95%的不確定度，各類誤差及評判結果見表3。

表3 黃河山東測區各水文站常測法Ⅲ型誤差統計表

3 結論及建議

通過對黃河山東測區汛期各水文站現行流量常規測驗方法的統計分析，可以得出以下結論及建議：

1）各水文站目前采用的垂線平均流速常測法（二點法或三點法）的系統誤差、置信水平為95%的不確定度均在規范規定范圍之內，流量測驗垂線測點分布的代表性較強，垂線平均流速測驗方法的精度滿足規范要求，可以繼續使用。

2）水深允許時應采用二點法或三點法，當水深不滿足要求必須用一點法測速時，測點位置應先布設在0.6 相對水深處。

3）水面、0.2 或0.5 一點法的流速經系數改正后系統誤差基本可以控制在規范允許范圍內，但不確定度均較大，說明一點法流速具有較大的不確定性，一般情況下不得采用，若必須使用時應結合測驗現場的實際情況隨時分析流速系數。

4）現行常規法流量測速垂線布置能夠較好地控制流速沿斷面的橫向分布，所產生的流量計算誤差在規范允許范圍之內。

綜上所述，黃河山東測區各水文站采用流速儀常測法進行流量測驗，方式、方法適合小浪底水庫運行后的水沙運行規律及特點，可在今后的汛期洪水測驗中繼續應用。