水文站快速流量測驗(yàn)方法研究

鮑志偉

（遼寧省丹東水文局，遼寧丹東118001）

1 概述

水文測驗(yàn)工作是需要在野外勘察與測量的一項(xiàng)工作，需要收集關(guān)于所要研究水體所有的資料數(shù)據(jù)，為水利工程規(guī)劃和建設(shè)以及防汛抗旱工作提供真實(shí)準(zhǔn)確的水文數(shù)據(jù)。目前，對水災(zāi)害防范、工程水文、生態(tài)水文的標(biāo)準(zhǔn)和要求日益提高，對觀測的項(xiàng)目和數(shù)量都有增加的情況下，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的流量測驗(yàn)勢在必行，通過對應(yīng)用新設(shè)備或新方法進(jìn)行流量測驗(yàn)，有力地緩解了人員少、站點(diǎn)增多、業(yè)務(wù)量大、測報(bào)服務(wù)面增多的新形勢，保障了水文測報(bào)時(shí)效性、準(zhǔn)確性。

2 方法應(yīng)用

2.1 雷達(dá)槍快速流量測驗(yàn)

雷達(dá)槍是近幾年在各水文站使用的水面流速測量設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是不用接觸水面，通過雷達(dá)波進(jìn)行水面流速測量，但其測驗(yàn)過程需要有橋梁等過河設(shè)備提供測量環(huán)境，其測驗(yàn)的角度對數(shù)據(jù)有一定影響，同時(shí)需要配合實(shí)測流量的水面流速系數(shù)的準(zhǔn)確率定才能應(yīng)用。

其率定主要通過人工流速儀方法與雷達(dá)槍進(jìn)行流量比測分析確定，采用固定垂線一點(diǎn)法，在不同垂線處實(shí)測水面流速及水深，并同時(shí)采用雷達(dá)槍實(shí)測水面流速。用雷達(dá)槍水面一點(diǎn)測速和對應(yīng)的流速儀水面一點(diǎn)測速的成果建立相關(guān)關(guān)系，分析出線性相關(guān)系數(shù)，并用水面下0.6 倍水深處測速流量資料進(jìn)行對比，分析檢驗(yàn)成果的可靠性。現(xiàn)有的流速儀水面系數(shù)0.85 與此次成果0.852 1 基本接近，所以認(rèn)為小樣本基本符合規(guī)律。成果應(yīng)用后，用雷達(dá)槍的水面流速乘以水面流速系數(shù)即可換算成垂線平均流速，再推求斷面流量。

2.2 現(xiàn)有流速儀法精簡分析

流速儀測驗(yàn)方法仍然是主要的水文測站流量測驗(yàn)方法，如何應(yīng)用流速儀快速完成流量測驗(yàn)，為防汛抗旱提供高效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，通過對流量數(shù)據(jù)不同垂線點(diǎn)數(shù)的分析、對比，尋求滿足測驗(yàn)精度最簡單有效的測驗(yàn)方法，提高測驗(yàn)效率，為水文開展快速巡測、快速報(bào)汛提供保障。一般應(yīng)選取有5 年以上流量常規(guī)測流資料的站點(diǎn)，進(jìn)行流速儀測流垂線分布精簡分析。

根據(jù)《水文測驗(yàn)手冊》，水面寬小于100 m 的河道常測法的垂線數(shù)一般不少于7～8 條，現(xiàn)通過選取站點(diǎn)進(jìn)行精簡分析。此次選擇站點(diǎn)水面寬70 m 的測站，以斷面平均流速為縱坐標(biāo)，以7 垂線的流速為橫坐標(biāo)建立相關(guān)關(guān)系。選用其中相關(guān)關(guān)系最好的1 條垂線，其線性關(guān)系為y=0.597x+0.511，R= 0.897，其中：y為斷面平均流速，m/s；x為垂線流速，m/s；R為相關(guān)系數(shù)。

再選取線性關(guān)系較好的2 條垂線，以2 條垂線的平均值為橫軸，以斷面平均流速為縱軸建立相關(guān)關(guān)系。其線性關(guān)系為y=0.537x+0.688，R=0.925。依次建立以3 垂線的平均值為橫軸，以斷面平均流速為縱軸建立相關(guān)關(guān)系。其線性關(guān)系為y=0.660x+0.434，R=0.970。

以此類推進(jìn)行，使選擇條數(shù)接近常測法的情況，進(jìn)行誤差比較，取系統(tǒng)誤差滿足規(guī)范要求的精簡條數(shù)為最佳精簡方案。根據(jù)計(jì)算實(shí)例，3 條垂線為滿足精度要求的最佳精簡方案。

3 誤差分析

3.1 雷達(dá)槍比測誤差

通過67 次垂線實(shí)測資料分析，雷達(dá)槍水面流速與同點(diǎn)位流速儀測水面流速比值為0.91，根據(jù)實(shí)測流量資料進(jìn)行對比計(jì)算，檢驗(yàn)水面流速系數(shù)是否合理。通過計(jì)算，其相對誤差均值為-1.79%，小于3.00%，結(jié)果合理，完全滿足測量精度要求。

3.2 傳統(tǒng)流速儀法精簡垂線誤差

根據(jù)《水文測驗(yàn)手冊》3-10 的規(guī)定，把選取的30 份實(shí)測流量數(shù)據(jù)按精簡測法重新計(jì)算流量，統(tǒng)計(jì)精簡前后數(shù)值的相對誤差是否超過允許范圍3.00%，從而確定精簡結(jié)果。根據(jù)《水文測驗(yàn)手冊》3-67，系統(tǒng)誤差可用以下方法確定：分別算出各測次精簡后的流量誤差，將各誤差值由小到大依次排列，統(tǒng)計(jì)其累積頻率見表1。

表1 流量誤差統(tǒng)計(jì)分析表

由表1 可以看出，選用3 條垂線平均流速代替斷面平均流速算出的流量誤差值，其累積頻率為50%的誤差數(shù)值可視為系統(tǒng)誤差。根據(jù)以上方法統(tǒng)計(jì)出的系統(tǒng)誤差為0.52%＜2.00%，滿足了常測法誤差界限，即該精簡方法成立。

4 結(jié)論

通過此次分析，可以得到雷達(dá)槍水面測速與流速儀水面測速呈線性相關(guān)，并通過實(shí)測資料檢驗(yàn)成果到達(dá)使用精度，可作為測站流量資料的收集手段，提高了測量的時(shí)效性與安全性。

對于只能采用流速儀進(jìn)行測驗(yàn)的河流，通過測驗(yàn)垂線精簡提高測流效率。文中將原7 條測量垂線簡化到3 條垂線就可滿足測驗(yàn)規(guī)范誤差要求，測驗(yàn)效率可提高2 倍以上。

通過采用新方法或進(jìn)行精簡分析，使用簡測方案后，既節(jié)省了測流時(shí)間，又能及時(shí)搶測到洪峰流量，保證了實(shí)測流量成果的精度，有效地提高了工作效率，增加了報(bào)汛的時(shí)效性，適應(yīng)水文站點(diǎn)多、人員少、時(shí)效性強(qiáng)的發(fā)展要求。