淺析流速儀法測流與浮標法測流的區別

鐘金鳴

（河北省承德水文勘測研究中心,河北 承德 067000）

1 前言

流量的變化是很復雜的,為了研究和探求河流流量的變化規律,必須進行長期的、連續的流量測驗。但現行的測流方法,一般工作量大,不可能無限制增加測次來獲得大量的流量資料。因此,可以通過一定數量測次的流量資料與水位或其他水力要素建立相關關系來探求其變化規律,以便用水位或其它水力要素的資料來推算逐日流量。本文討論兩種測流方法在一次典型流量測量過程中的表現。

2 測站概況

藍旗營水文站始建于1959 年5 月,位于河北省興隆縣古兒石村,為撒河下游控制站,系迎風山區代表站,集水面積646 km2,高程采用假定基面高程。測站類別為基本站,為省級重要站。測驗河段位于古兒石村東南約500 m,具體位置見圖1。

圖1 藍旗營水文站位置圖

該測站河槽為復式河槽,兩岸為風化巖石陡山,順直河段長約250 m。基下110 m有一急灘,形成中、低水控制,下游約1000 m處為彎道狹口,形成高水控制。上游200 m有一山洪溝匯入,上游約500 m處有季節性河流自左岸匯入,中水時漫灘寬約50 m,水流分散,有橫比降。河床由沙壤土、砂卵石組成,河床基本穩定,斷面沖淤變化不大,水位流量關系穩定,枯水時青苔、水草叢生,影響低水測驗。藍旗營（二）站測驗河段平面圖見圖2。

圖2 藍旗營（二）站測驗河段平面圖

3 流速儀法測流

流速儀法測流是流速面積法的一種,是目前國內外廣泛使用的方法,也是最基本的測流方法。評定各種測流新方法的精度,仍是以它作為衡量的標準。近年來,盡管測流新技術得到迅速的發展,但在今后一個相當長時間內,還不可能完全取代流速儀法測流。下面著重介紹流速儀法測流原理。

式中：h代表水深；B代表水面寬,橫斷面上的流速分布可用函數v=f（h,B）表示,上式表示全斷面的流量。

式（1）所計算得到的流量,相當于流量模型的總體積。實際計算中由于v=f（h,B）的計算很復雜一般把積分的形式變成有限差的形式推算流量,用若干個垂直于橫斷面的平面,將流量模型切成n塊體積,每一塊體積即為部分流量q,只要在各測速垂線上測深、測速,就可以求得q,則全斷面Q可求,即為q的代數和。即：

式中：qi為第i部分的部分流量,m3/s。

式（2）為流速儀法測流所使用的基本公式。實際測流時不可能將部分面積分成無限多,而是分成有限個部分,所以實際測流只是逼近真實值；現行方法在河道上測流時所需要的時間較長,不能瞬間完成,因此實測流量是時段的平均值。

通過上面的分析可知測流工作由測量橫斷面及流速兩部分工作組成。即通過實測斷面上的流速和水道斷面積來確定流量的方法。實際測流中一般采用流速儀法,以《河流流量測驗規范》（GB 50179-2015）為主要依據進行測流[1]。

藍旗營站某次典型洪水過程流速儀法測驗結果見表1,表中第一、二條垂線采用水面測流法,故流速系數取0.85。其余均采用一點法0.6,流速系數均取1。岸邊系數取0.70。測流時相應水位4.68 m,采用吊箱法渡河,測深方法：桿測,流速儀懸吊方式：懸桿。經計算流量為101 m3/s。

表1 藍旗營水文站流量實測成果表

4 浮標法測流

浮標法測流是一種簡便有效的測流方法。實踐中廣大水文工作者創造性地使用許多浮標投擲的簡易可行的設備,在較大洪水或水面漂浮物多的時候,浮標法為重要的、可行的方法之一,尤其在流速儀法無法完成時更為顯著。

浮標法測流的基本原理如下：

上述流速儀法測流已經指明通過全斷面的流量可以表示為式（1）所示形式,而垂線平均流速vm為：

式中：Qf為最大流量vmax計算出來的流量,也稱虛流量。

根據式（4）可知,斷面虛流量比斷面流量要大,它們之間的關系可以表示為：

式中;Kf為浮標系數。

常用的浮標法測流分為小浮標法、均勻浮標法和中泓浮標法,小浮標法適用于水深低于0.16 m時使用,使用范圍較局限。而一般在均勻浮標無法使用時會使用中泓浮標。使用浮標法時無法回避浮標系數的取值問題,該系數與河床組成、斷面控制、風速、風向和浮標材質等有著密切的關系,一般測站會積累同時使用流速儀法和浮標法對比施測的流量資料,經過分析提出適合本站的浮標系數[2]。本站中泓浮標系數取經驗值0.75。上述流速儀法測流的降水過程中,在24 日凌晨開始洪水猛漲,21 時45 分出現最高洪水位,洪峰過程為單峰型。該站在基本斷面水位1.0 m以下采用流速儀法測流,有實測過水斷面;1.0 m以上均采用中泓浮標法。洪峰流量借用汛前（5 月1 日）實測大斷面計算為130 m3/s。流量資料整編時采用臨時曲線法,水位流量關系曲線依據峰前、后的兩斷面關系,中間作相切直接過渡的方法處理,即認為沖刷主要發生在漲水過程,至峰頂時斷面沖刷最大,峰后不再沖刷。這樣所定水位流量關系曲線在峰頂處發生不合理的突然轉折,結果使洪峰流量變為180 m3/s,與借用汛前大斷面計算的峰值相差38.4%。可見,對受普遍性沖淤的河道采用中泓浮標法推流,關鍵就是對斷面的沖淤過程進行分析,準確地定出相應水位的過水斷面面積[3]。

5 流速儀法測流與浮標法測流的對比

根據最新的《藍旗營站洪水測報方案》可知：測流方案的選擇應遵循以下原則：首選流速儀法,其次是雷達波測流系統,最后是浮標法、比降面積法。流速儀法和浮標法銜接部分視水勢情況測流方案。

流量測驗的測速垂線m、測速垂線次點數p、測速歷時t和流速系數的選用,按任務書中流量測驗方案執行。

（1）水位：4.10 m（對應流量：10.0 m3/s）以下,涉水施測,即流速儀法；

（2）水位：4.10 m～6.40 m（對應流量：10.0 m3/s～800 m3/s）用雷達波測流系統施測；

（3）水位：6.40 m（對應流量：800 m3/s）以上用浮標施測；

（4）特大洪峰采用天然浮標測速,水準儀或刻洪痕記錄水位或比降面積法施測。

流速儀法測流作為最基本的測流方法有著穩定、可靠的測流結果。其它測流方法要以此法作為評定標桿以及衡量的標準,在今后以及較長時間內具有浮標法所不能替代的一面。浮標法測流是流量測驗的一種重要形式,適合于山溪性河流和漂浮物多、暴漲暴落的洪水測驗。較之流速儀法,浮標法流量測驗具有選材容易、造價低、投放速度快、易操作、易成活、穩定性強、測流速度快、安全性能好等優點[4]。

6 結語

通過對流速儀法和浮標法測流原理的研究對比可知二者各有優勢,都是在長期的水文實踐中不斷探索改進的方法,具體采用哪種方法測流還需要我們依據具體的實際情況來定。有時又需要二者配合使用才能使得流量計算更加精準。總之,選用恰當的測流方法不但使測流結果更加準確,而且還能為水文工作者的工作提供便利。