比降——面積法的試驗與探討

王 穎

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

1 比降－面積法

1.1 本法的適用范圍

本法適用于山溪性河流在“流速－面積法”難以施測時，采用的流量推算方法。對于沖淤型河道和大江河比降過于平緩或顯著彎曲的河道采用本法不太適宜。但對于稀遇洪水的流量值在無法確定時，可用本法近似推算流量。

1.2 測驗方法原理

根據(jù)選定的比降觀測河段的斷面平均面積和平均水面比降，以及根據(jù)河床特征，河床質(zhì)采用的河床糙率等常用的經(jīng)驗公式推算流量，方法如下:

A為河段斷面平均面積(m2)，A1A2……Am為河段各斷面面積，m為斷面數(shù);

式中:Q為河段平均流量(m3/s);V為河段平均流速(m/s);n為河床糙率;Rn為河段水力半徑(m)為河段各斷面平均濕周(m)，P1P2……Pm為河段各過水?dāng)嗝鏉裰?，m為斷面數(shù);Se為經(jīng)過動能改正后的河段水面比降。

1.3 測驗河段的選擇

河床穩(wěn)定，河段順直斷面較均勻一致，上下游水流不受干擾;測驗河段長度取決于洪、枯水期間的高、低水位所形成的比降。水面比降的要求，在測驗河段長度范圍內(nèi)水面落差至少要10倍于“落差測量”的允許誤差。

1.4 斷面布設(shè)和水尺的設(shè)立

在測驗河段內(nèi)斷面布設(shè)不少于3個。每個斷面兩側(cè)均應(yīng)設(shè)水尺(無橫比降時可只在一岸設(shè)立)。水尺形式可以是直立式或傾斜式的。水尺刻度清晰可見，其精確度要滿足測驗要求。國際標(biāo)準(zhǔn)要求水尺的最小刻度一般為2 mm。

1.5 水位觀測

為避免風(fēng)浪及視差的影響，要求觀測一個波動周期，取水尺最大和最小讀數(shù)的平均值作為觀測值。

1.6 曼寧系數(shù)n和謝才系數(shù) c的采用

(1)用流速儀法或浮標(biāo)法實測流量，然后用公式推求合理的糙率系數(shù)。

(2)在缺乏實測資料時，參照水文規(guī)范中經(jīng)驗系數(shù)采用。

1.7 流量推算

根據(jù)(1)式逐項代入，即得所求流量。

2 “比降－面積法”在鐵廠水文站的試驗

2.1 測驗河段基本情況

鐵廠水文站是鴨綠江流域長白山低山區(qū)域代表站，河名為大羅圈河，是鴨綠江的二級支流，測站斷面以上集水面積為685 km2。歷年最大實測流量為769 m3/s，最大流速4.20 m/s。順直河段長度300 m，右岸為山，左岸為平地并有堤壩控制，基本水尺斷面最大河寬為133 m。河槽呈V型，主槽在左側(cè)，河床是基巖，灘地在右側(cè)為卵石組成，生長雜草，造近山根一帶有耕地。

測驗斷面河道坡降為10‰ ，洪水期水面比降在3.6‰以上，流速大，漲落急劇，河床穩(wěn)定沖淤變化小，水位流量關(guān)系曲線為單一線型。

2.2 比降觀測河段長度的確定及斷面的布設(shè)

(1)按國際標(biāo)準(zhǔn)確定河段長度:國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“測驗河段長度范圍內(nèi)的水面落差至少要10倍于‘落差測量’的預(yù)期誤差”。我們認(rèn)為，在橫比降影響小的情況下“落差測量”的預(yù)期誤差主要是水尺觀讀誤差。鐵廠站按10‰河道坡降考慮，100 m河段長度落差為10 cm，水尺觀讀誤差為1 cm，則“水面落差”為水尺觀讀誤差的10倍;若取河段長度為150 m，落差為15 cm，則“水面落差”為水尺觀讀誤差的15倍。根據(jù)本站河段條件取測驗河段為150 m。

(2)按我國“規(guī)范”的計算公式確定測驗河段長度:

式中:L為比降斷面間距(km);△H為比降水位觀測誤差(mm);m為水準(zhǔn)測量1 km線路上的偶然誤差(mm);n為比降觀測的允許誤差(%);Z為河道長1 km的落差(mm)。

按上式取△H=10 mm，m=10 mm，Z=1 000 mm，L=0.15 km，驗算比降觀測允許誤差 n為9.72%，仍小于國際標(biāo)準(zhǔn)10%的要求。

據(jù)此，在順直河段內(nèi)確定比降觀測河段長度為150 m，并按75 m間距均勻布設(shè)3個斷面。

2.3 水尺的設(shè)立及水位的觀測

在左岸為直立式水尺，水尺板刻度為厘米，基本水尺斷面設(shè)自記水位計1臺;右岸3個斷面均設(shè)矮樁水尺，用測尺觀測。

比降水位的觀測方法:兩岸6組水尺6人同時進(jìn)行觀測。白天用測旗，夜間用信號燈聯(lián)系。

比降水位觀測測次:一般一次洪水過程為8～10次，其中峰前最大比降，峰頂比降和峰后落水較快時比降必須觀測到。

2.4 河段平均比降的計算

由于測驗河段受上游150 m處彎道的影響，故在洪水時期產(chǎn)生橫比降。取兩岸水位平均值，作為斷面平均水位，以此上下比降斷面平均水位差為測驗河段平均水面比降。

5、大斷面測量洪水前后各測一次，若變化很小可取峰前一次。測驗河段平均斷面面積，濕周，水力半徑的計算均按國際標(biāo)準(zhǔn)。同時，對于水力半徑的計算也采用了我國的經(jīng)驗，當(dāng)寬深比(B/H)大于40時，則以斷面平均水深代替水力半徑R，測驗河段平均水力半徑 Rn的計算仍按國際標(biāo)準(zhǔn)的計算公式:

2.5 河床糙率的選定與推求

(1)采用歷年實測糙率綜合成果(1984－1990年);

(2)采用1991年比降試驗與流速儀實測對比糙率成果。見水位——糙率關(guān)系曲線(1)－(2)，據(jù)此選取不同水位下的糙率進(jìn)行推算。

2.6 流量的推算

(1)由水位——糙率關(guān)系曲線查取糙率 n;

(2)由水位——面積關(guān)系曲線查取各斷面面積，并計算測驗河段平均斷面面積和平均水力半徑;(3)流量的推算:

3 鐵廠站比降——面積法試驗資料分析

3.1 資料情況

從1991年7月30日8時至8月1日6時觀測一次小洪水過程，水位變幅為1.16 m。因該站為單一線型，用流速儀比測三次。三個斷面6組水尺的比降水位觀測。根據(jù)水位過程，選摘了10次比降資料。

3.2 比降——面積法推算流量精度的分析

(1)推算流量的經(jīng)驗公式要與糙率計算公式相同。見水位糙率關(guān)系表及關(guān)系曲線(1)－(2)。

(2)比降面積法推算流量精度的驗證

從比降試驗資料中挑選30次(包括推算糙率的10次在內(nèi))，驗證不同方法推算的糙率對流量精度的影響見表1、表2。

表1 誤差統(tǒng)計結(jié)果表

表2 一次洪水過程的洪峰、洪量驗算

4 鐵廠站試驗幾點認(rèn)識

1)比降水尺觀測精度:國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水尺觀測精確到2 mm，我們認(rèn)為在落差大的河流可放寬到1 cm;

2)水力半徑的計算:當(dāng)＞40時可以代替 R;

3)推算流量的經(jīng)驗公式必須與推求糙率的公式相同，見表3。

表3 鐵廠站水位糙率關(guān)系表

4)比降水尺觀測的代表性:在灘地一側(cè)由于流速小，而水位偏高，因此，灘地水尺越接近主槽，水尺的代表性越好;

5)比降－面積法對擴(kuò)散不大的河道，只要經(jīng)過擴(kuò)散損失處理，其推算流量的結(jié)果還是比較滿意的;

6)通過鐵廠站一次洪水過程，雖然論據(jù)還不足，但尚可說明此法不但作為洪峰流量的推算方法，對于洪水過程的推算精度也是比較滿意，能否把此法作為常測法還是要經(jīng)過進(jìn)一步驗證的。

綜上所述，“比降 －面積法”只要保證比降觀測精度，在一些山溪性河流洪水測驗難度大的測站，還是有它可用之處。但是，目前測站的比降水尺皆設(shè)在一岸，水位代表性不好，兩岸設(shè)立水尺觀測又非常困難，需要的觀測人員又多，這也是開展此法的困難之處。因此，在各斷面兩側(cè)均設(shè)自記水位計是非常必要的。

［1］水文測驗手冊.水利電力出版社.1975.11.