刘伟伟++张世英++谢玲

[摘 要]罗庄子水文站是典型的山区性河流测站，根据该站近20年的流量实测资料，着重分析其流速分布特性及对精度的影响，可理想地寻找出保证精度又简易可行的测验方案。使其可供同类型测站参考

[关键词]流速特性 垂线组合 方案误差分析

中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）19-0093-01

1.概况

罗庄子水文站位于天津市蓟县山区蓟运河流域一级支流泃河的中下游，集雨面积340km2，属于二类精度控制站。该站现使用的常规测流方案存在需进一步完善之处：单次测验历时较长（一般需时60～80min），测验过程中水位变幅易超过平均水深的10%。因此，在保证精度的前提下，根据该站特性重新优化组合测流方案，尽可能缩短单次测验历时具有实际意义，也为该站进行水文巡测做好流量测验方面的前期分析工作，本次分析计算的资料水位变幅从17.00m 至21.50m包括了高中低各级水位。

2.分析的依据和方法

由 Q=A·V可知，测验方案分析要分别从测深垂线组合和测速垂线组合两方面进行。测深垂线组合的优劣决定断面面积测验精度，测速垂线组合的优劣决定断面平均流速测验精度，在两者都能达到最佳组合的情况下，就可得出保证精度又最简易可行的测验方案。

2.1 测深垂线的分析

罗庄子水文站断面的河床结构，主要由砂卵石组成。历史最高水位25.1Om时，河面宽度为107m。

对该站大断面资料分析的结果表明，目前采用13条测深垂线控制断面面积已是最佳方案，垂线位置的起点距分别为14m、22m、3Om、38m、46m、52m、58m、64m、70m、76m、82m、88m、94m。就是说，无论采用哪一种测流方案，都必须对上述垂线测深，才能保证面积测验精度。这是由该断面河床结构特性决定的。

2.2 测速垂线的分析

从垂线流速分布理论可知，垂线测点流速与垂线平均流速存在一定的比例关系， 即每一个测点在垂线上都具一定的代表性。结合该站特性，以0.2相对水深测点作为代表测速点方案。于是，收集了自1984年以来所有多垂线流量实测成果进行以下分析：

（1）点绘各垂线平均流速与断面平均流速关系图，分析其相关性；

（2）点绘各垂线0.2相对水深点流速与断面平均流速关系图，分析其相关性。

分析结果显示， 各条垂线0.2相对水深点流速与断面平均流速具有良好的相关 性，相关点子分布密集，可通过点群重心定一直线。其中相关性最好的有起点距为 30m、46m、58m、64m、70m、76m、82m、88m等8条垂线。

3.垂线组合的确定

3.1 分析方案的采用

罗庄子水文站高、中、低水位级的垂线平均流速横向分布曲线大致相似，故分析中采用通用的方案。

3.2 方案的垂线组合

罗庄子水文站目前的常规测流方案为8垂线2点法，因而本次分析应进行8垂线以下的方案组合才有实用意义。结合该站流速横向分布情况和测沙项目的需要（输沙率测验采用全断面混合法），对上述相关性最好的垂线进行3至8条垂线的多种方案组合。

4.单位流速相关性的分析和断面平均流速公式的推求

从流量模型的概念出发，将断面流量模型概化为过水面积（A）与断面平均流速（V）相乘的6面体，然后分别测算A和V即可求得断面流量。对于断面平均流速的测算，根据《水文测验手册》第三部分第二章第六节：有两条以上流速垂线、每线均用一点法测流，且各垂线测点的相对深度均相同时，可以各测点流速的算术平均值作为单位流速Vu（或断面虚流速）与V建立关系式：

V=K·Vu （K—换算系数 ）

表1的组合方法，对各方案的单位流速（0.2测点流速的算术平均值）与实测断面平均流速进行相关分析，并推求出组合方案的断面平均流速计算公式，结果见表 1。

注：流速计算公式中V为断面平均流速（m/s），V0.2为组合垂线0.2点流速的算术平均值（m/s）； 流速换算系数由各种方案中V与V0.2两者的线性关系推算求得。

从表2中|r|的结果可见，上述各方案的流速相关系数都在0.99以上，关系非常良好；

点绘单位流速与断面平均流速关系呈单一直线，说明完全满足组合方案断面平均流速计算公式的推求条件。

6.总不确定度和已定系统误差估算

根据《河流流量测验规范》（GB50179—93，以下简称《规范》）第7·6·3条规定：“流量测验成果应采用实测流量、总不确定度和己定系统误差三项数据表达”。所以，对表1的方案还应按高、中、低水位级分别计算和。结果见表4。

上述计算结果对照《规范》表4.1.4的标准，可见全部方案的误差亦都符合要求，只是方案E在中低水位级的己定系统误差略低于二类精度标准。

7.流量误差在各级水位分配情况的分析

从分析测次的水位与流量误差关系中可见，各方案的流量误差沿水位级的分配大致均匀，仅方案E显示其误差分布较偏向于中低水位级。这说明该站采用通用方案进行分析合理。

结语

综合上述的分析计算结果，以上各方案的误差均满足规范要求。其中C方案为最佳方案，其系统误差、平均误差和最大误差都最小，可作为日常测流候选方案；D方案的测速垂线正好与目前输沙测验垂线一致，可作为输沙率测验时的流量测验方案；E方案的精度满足规范要求，测验方法最简单方便，测流历时短，可用于高洪或涨落率大，漂浮物多时的洪水抢测。

这些方案的应用，将进一步有利于简化该站测算工作，做到在保证精度和安全生产的前提下，更快更好地测得到大洪水的过程，为防洪减灾提供可靠的科学依据。

参考文献

[1] 水利部主编。河流流量测验规范（GB50179-93），中国计划出版社，1993。

[2] 水利部主编。水文测验手册。水利出版社，1980。

[3] 徐永祺主编。水力学基础。水利电力出版社，1983。

[4] 曹之桦主编。水文统计学。水利电力出版社，1985。