黃河潼關(guān)站流量測(cè)驗(yàn)誤差來源及控制

孫文娟，和嘵應(yīng)，郭 強(qiáng)，竇 敏，張 楠，李海霞

（黃委三門峽庫區(qū)水文水資源局，河南 三門峽 472000）

潼關(guān)站一般水流條件下采用流速儀法施測(cè)流量，僅在特殊情況下，改用浮標(biāo)法測(cè)流。采用流速——面積法施測(cè)流量時(shí)，流量測(cè)驗(yàn)誤差由水道斷面測(cè)量和流速測(cè)驗(yàn)2大部分組成。影響測(cè)驗(yàn)精度的因素概括起來有3方面：1）測(cè)驗(yàn)方法和儀器因素。包括各種測(cè)驗(yàn)儀器的精密度、準(zhǔn)確度以及儀器設(shè)備入水部分阻水引起的水流結(jié)構(gòu)變化等；2）測(cè)驗(yàn)過程中的人為因素。如操作技術(shù)的熟練程度，規(guī)范執(zhí)行情況，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)垂線布設(shè)位置、測(cè)船定位等；3）自然因素。如水位漲落、河床沖淤變化等。

1 水道斷面測(cè)量誤差的來源及控制

水道斷面測(cè)量的誤差來源于測(cè)深垂線布設(shè)數(shù)目、水深測(cè)量和水面寬測(cè)量。

1.1 測(cè)深垂線布設(shè)

從誤差傳遞角度講，水深測(cè)量誤差將傳遞給水道面積，進(jìn)而傳遞給流量。當(dāng)斷面平均流速一定時(shí)，面積的相對(duì)誤差將引起流量等量的相對(duì)誤差。為了測(cè)得精確的斷面資料，就必須保證有足夠多的垂線數(shù)目來控制河床變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。GB 50179—93《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）沒有對(duì)測(cè)深數(shù)目作出要求。《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》（以下簡稱《手冊(cè)》）要求測(cè)深垂線數(shù)目的精簡根據(jù)由精密測(cè)深資料進(jìn)行，精密測(cè)深資料的垂線數(shù)一般不少于精測(cè)法測(cè)速垂線數(shù)目的2倍。

根據(jù)《手冊(cè)》有關(guān)的技術(shù)要求，潼關(guān)站在2004年進(jìn)行了19次精密測(cè)深誤差試驗(yàn)。對(duì)該資料進(jìn)行精簡分析，精簡后保持不同測(cè)深垂線數(shù)目的相對(duì)平均誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

表1 測(cè)深垂線精簡誤差統(tǒng)計(jì)表

從表1計(jì)算結(jié)果看，面積的測(cè)驗(yàn)精度隨著測(cè)深垂線數(shù)目的增多而提高，垂線數(shù)目增加到25條時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差可控制在2.0%以內(nèi)；不同測(cè)速垂線數(shù)目的面積計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)偏小，當(dāng)垂線數(shù)目增加到20條時(shí)，相對(duì)平均誤差可控制在1.0%以內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加測(cè)深垂線數(shù)目，簡而易行，能有效地提高面積測(cè)驗(yàn)精度。潼關(guān)站在實(shí)施流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，采用測(cè)深與測(cè)速垂線相間布設(shè)的方法，推薦潼關(guān)站測(cè)深垂線布設(shè)數(shù)目在高、中、低水應(yīng)分別不少于34，30，26條，且垂線易均勻分布，主槽較灘地稍密。

1.2 水深測(cè)量

潼關(guān)站水深測(cè)量采用測(cè)深桿。影響測(cè)深精度的因素有測(cè)深桿的彎曲程度、桿底接觸河底時(shí)的傾斜情況以及水面起伏和桿底入泥深度、標(biāo)尺刻畫精度與測(cè)驗(yàn)人員的操作技能、熟練程度等。這些因素直接影響讀數(shù)精度，為了消除誤差，測(cè)深桿的制作精度要滿足《規(guī)范》要求，一般重復(fù)測(cè)深2次以上，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范。

采用測(cè)深桿測(cè)深方法導(dǎo)致的測(cè)驗(yàn)誤差，根據(jù)潼關(guān)站2004年45條測(cè)深垂線比測(cè)，計(jì)算測(cè)深的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差1.4%，相對(duì)平均誤差0.24%。由此可知，潼關(guān)站采用測(cè)深桿測(cè)深的精度滿足《規(guī)范》規(guī)定的要求。

1.3 水面寬測(cè)量

潼關(guān)站水面寬測(cè)量采用標(biāo)志索直接觀讀，誤差來源于斷面標(biāo)志索的伸縮與垂度變化。為了消除誤差，潼關(guān)站每年汛前都對(duì)標(biāo)志索的垂度進(jìn)行改正，并用全站儀對(duì)標(biāo)志索進(jìn)行檢驗(yàn)。為了探索采用標(biāo)志索測(cè)寬給面積測(cè)驗(yàn)帶來的誤差，2004年潼關(guān)站用全站儀對(duì)標(biāo)志索進(jìn)行檢驗(yàn)，共比測(cè)148條垂線，計(jì)算測(cè)寬隨機(jī)不確定度為2.0%，系統(tǒng)不確定度為0.12%。由此可知，潼關(guān)站采用標(biāo)志索測(cè)寬的測(cè)驗(yàn)精度滿足《規(guī)范》規(guī)定的要求。

引起面積測(cè)量誤差除上述因素外，洪水期水位漲落率大以及河床沖淤變化劇烈，測(cè)流歷時(shí)將對(duì)面積引起誤差，此時(shí)應(yīng)盡可能縮短測(cè)流歷時(shí)；在實(shí)施作業(yè)時(shí)測(cè)船定位不準(zhǔn)也將對(duì)面積引起誤差。

2 流速測(cè)驗(yàn)的誤差來源及控制

潼關(guān)站采用過河纜吊船橫渡測(cè)驗(yàn)流速，船的前甲板左側(cè)分別安裝水文絞車和懸桿升降架各1套。采用懸桿、懸索2架流速儀同步測(cè)流，或采用1架流速儀單獨(dú)施測(cè)。影響測(cè)驗(yàn)精度的因素有測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)誤差，垂線測(cè)點(diǎn)流速測(cè)驗(yàn)方法，測(cè)速垂線布設(shè)數(shù)目，測(cè)船阻水和懸桿入水對(duì)流速的影響和流速儀測(cè)點(diǎn)定位不準(zhǔn)等。

2.1 測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)誤差

張海敏等人在《黃河中下游流量測(cè)驗(yàn)總誤差的實(shí)驗(yàn)研究》中，利用華縣等水文站的測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)試驗(yàn)資料，分析了測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)誤差，認(rèn)為：1）測(cè)點(diǎn)流速脈動(dòng)誤差，隨測(cè)速歷時(shí)的增加而減?。?）各相對(duì)水深處不同測(cè)速歷時(shí)的誤差數(shù)值，同其他流域的試驗(yàn)結(jié)果相近。除水面外，其余各點(diǎn)的測(cè)速歷時(shí)只要大于80 s，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均在3%以下；3）不同測(cè)速歷時(shí)脈動(dòng)誤差的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，都符合上下大、中間小的趨勢(shì)。歷時(shí)愈短，差異愈明顯。當(dāng)測(cè)速歷時(shí)增至200 s時(shí)，已無明顯差異[1]。

參考以上研究成果，認(rèn)為潼關(guān)站常測(cè)法流速測(cè)速歷時(shí)選擇100 s是合適的，特殊水情采用一點(diǎn)法測(cè)速時(shí)，易選用0.6或0.5一點(diǎn)法，測(cè)速歷時(shí)應(yīng)選擇在80～30 s之間，此時(shí)要適當(dāng)增加測(cè)速、測(cè)深垂線，以減少測(cè)點(diǎn)流速測(cè)驗(yàn)誤差和流速脈動(dòng)誤差對(duì)流量測(cè)驗(yàn)總誤差的影響。洪水期間水位漲落率大，靠增加測(cè)速歷時(shí)提高測(cè)驗(yàn)精度是不可取的，增加測(cè)速歷時(shí)，必然會(huì)延長測(cè)流歷時(shí)，導(dǎo)致相應(yīng)水位采用近似計(jì)算法給流量測(cè)驗(yàn)帶來更大誤差。

2.2 垂線測(cè)點(diǎn)流速測(cè)驗(yàn)

根據(jù)潼關(guān)站2004年試驗(yàn)的37條11點(diǎn)法垂線資料，對(duì)流速測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精簡分析。分別計(jì)算水面一點(diǎn)法、相對(duì)水深0.2，0.5，0.6一點(diǎn)法、相對(duì)水深0.2，0.8 兩點(diǎn)法、相對(duì)水深 0.2，0.6，0.8 三點(diǎn)法的流速相對(duì)平均誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（見表2）。

表2 測(cè)速垂線不同測(cè)速方法系數(shù)及誤差統(tǒng)計(jì)表

從表2的計(jì)算結(jié)果看，潼關(guān)站采用三點(diǎn)法測(cè)速的測(cè)驗(yàn)精度最高，為最佳測(cè)速方案，其次為兩點(diǎn)法，2種方法的測(cè)驗(yàn)精度均滿足《規(guī)范》要求；一點(diǎn)法測(cè)速誤差均超過《規(guī)范》要求，一般不宜采用；一點(diǎn)法測(cè)速方案中，0.6一點(diǎn)法測(cè)速精度最高，其次為0.5一點(diǎn)法。測(cè)流方案優(yōu)化在滿足流量測(cè)驗(yàn)精度的前提下，應(yīng)經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，推薦潼關(guān)站在低水期或水量調(diào)度的關(guān)鍵期測(cè)點(diǎn)流速采用三點(diǎn)法施測(cè)，簡測(cè)法采用0.6一點(diǎn)法施測(cè)。

2.3 測(cè)速垂線布設(shè)

為了探討不同測(cè)速垂線數(shù)目導(dǎo)致的流量測(cè)驗(yàn)誤差，2004年潼關(guān)站進(jìn)行了17次多線法流量誤差試驗(yàn)。根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定的有關(guān)技術(shù)要求，在進(jìn)行測(cè)速垂線精簡分析時(shí)，根據(jù)斷面形狀和流速橫向分布，確定對(duì)流量精度影響較大的垂線作為保留垂線，按均勻抽取的原則，分別計(jì)算垂線精簡后保留不同垂線數(shù)目的系統(tǒng)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果見表3。

表3 測(cè)速垂線精簡誤差統(tǒng)計(jì)表

從表3計(jì)算的結(jié)果看，流量測(cè)驗(yàn)精度隨著測(cè)速垂線數(shù)目的增多而提高；測(cè)速垂線精減后，不同測(cè)速垂線數(shù)的流量計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)偏??；當(dāng)垂線數(shù)增加到30條時(shí)，再增加測(cè)速垂線，誤差減小很小。要使測(cè)驗(yàn)誤差控制在《規(guī)范》規(guī)定的允許范圍，潼關(guān)站采用等部分流量法測(cè)算流量時(shí)，最少需布設(shè)13條以上的測(cè)速垂線。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加測(cè)速垂線能有效地提高流量測(cè)驗(yàn)精度，推薦潼關(guān)站高、中、低水測(cè)速垂線數(shù)目分別不少于17，15，13條，并且垂線易均勻分布，主槽較灘地稍密。

2.4 測(cè)船阻水和懸桿入水對(duì)流速的影響

關(guān)于測(cè)船阻水和懸桿入水對(duì)流速的影響，潼關(guān)站在1982，1983年汛期進(jìn)行過試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果看，用懸索懸吊流速儀測(cè)速時(shí)，《手冊(cè)》規(guī)定的距離船邊的水平距離不能少于1.0 m是適度的，只要在測(cè)船很小，可能影響船只的平衡和安全時(shí)，才允許減少至0.5 m；懸桿測(cè)流的流速精度試驗(yàn)表明，由于懸桿入水部分對(duì)天然流場(chǎng)的干擾導(dǎo)致流速系統(tǒng)偏小，且懸桿測(cè)流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差隨流速增大而增大，但均不超過1%。為減小測(cè)驗(yàn)誤差，儀器與懸桿的連接部位應(yīng)精密制作。

2.5 流速儀測(cè)點(diǎn)定位帶來的誤差

流速儀測(cè)點(diǎn)定位帶來的誤差，尤其在水面起伏較大時(shí)施測(cè)水面及0.2相對(duì)水深處及水深較小時(shí)施測(cè)河底一點(diǎn)流速時(shí)，受水流或流速儀安裝條件的限制，流速儀不能正確置于預(yù)計(jì)點(diǎn)位，給流速帶來誤差。為了消除誤差，可選擇0.6一點(diǎn)法測(cè)速。

洪水期水草多，水草纏繞流速儀旋漿也是導(dǎo)致流速測(cè)驗(yàn)誤差的原因之一，此時(shí)應(yīng)密切注視流速儀信號(hào)的連續(xù)性及均勻性；洪水期流速大，鉛魚懸索偏角和流向偏角將導(dǎo)致流速測(cè)驗(yàn)誤差，此時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行懸索偏角改正和施測(cè)流向偏角。

3 結(jié)語

1）潼關(guān)站流量測(cè)驗(yàn)誤差隨著測(cè)深、測(cè)速垂線數(shù)目的增多而減小。采用等部分流量法測(cè)算流量時(shí)，最少需布設(shè)13條以上的測(cè)速垂線。試驗(yàn)結(jié)果表明，增加測(cè)深、測(cè)速垂線數(shù)目，能有效地提高流量測(cè)驗(yàn)精度。推薦潼關(guān)站高、中、低水測(cè)速垂線數(shù)目分別不少于17，15，13條，采用測(cè)深與測(cè)速垂線相間的方法布設(shè)測(cè)深垂線時(shí)，測(cè)深垂線數(shù)目按測(cè)速數(shù)目的2倍布設(shè)。

2）潼關(guān)站常測(cè)法流速測(cè)點(diǎn)測(cè)驗(yàn)方案采用0.2，0.6，0.8三點(diǎn)法測(cè)驗(yàn)精度最高，其次為0.2，0.8兩點(diǎn)法。推薦潼關(guān)站在低水期或水量調(diào)度的關(guān)鍵期采用三點(diǎn)法方案測(cè)速；一點(diǎn)法測(cè)速方案中，0.6一點(diǎn)法測(cè)速精度最高，推薦潼關(guān)站簡測(cè)法采用0.6一點(diǎn)法方案測(cè)速，此時(shí)測(cè)速垂線數(shù)目比常測(cè)法增加2～3條。

3）潼關(guān)站采用測(cè)深桿測(cè)深的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差1.4%，相對(duì)平均誤差0.24%；采用標(biāo)志索測(cè)寬的隨機(jī)不確定度為2.0%，系統(tǒng)不確定度為0.12%。

4）潼關(guān)站測(cè)船阻水和懸桿入水對(duì)流速的影響，從試驗(yàn)結(jié)果看，用懸索懸吊流速儀測(cè)速時(shí)，《手冊(cè)》規(guī)定的距離船邊的水平距離不能少于1.0 m是適度的；懸桿入水部分對(duì)天然流場(chǎng)的干擾導(dǎo)致流速系統(tǒng)偏小，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差隨流速增大而增大，但均不超過1%。

［1］張海敏，等.黃河中下游流量測(cè)驗(yàn)總誤差的實(shí)驗(yàn)研究［M］.水文測(cè)驗(yàn)誤差研究文集，1987.