流速儀法單次流量測驗誤差估算探討

趙子平，付艷紅

（吉林省水文水資源局白城分局, 吉林 白城 137000）

流速儀法單次流量測驗誤差估算探討

趙子平，付艷紅

（吉林省水文水資源局白城分局, 吉林 白城 137000）

水文測站的測驗項目受多種因素影響，各項測驗成果都不同程度的存在誤差。文章針對流速儀法單次流量測驗誤差估算進(jìn)行了探討，歸納了誤差估算的思路及影響因素，并用實例予以分析。對實際工作具有一定的指導(dǎo)意義。

洮兒河洮南；水文站；流速儀；流量；系統(tǒng)誤差

流量測驗是最主要的水文測驗項目，流量誤差主要是起點距、水深、流速，由于受儀器設(shè)備、水力條件、人為因素等影響而產(chǎn)生誤差。流量測驗總不確定度由流量測驗總隨機(jī)不確定度與總系統(tǒng)不確定度組成。這兩項誤差的估算對流量測驗成果合理性檢查分析有重要作用。

1 流速儀法測量斷面流量

流速儀法流量測驗，一般在河流上設(shè)置指定的測驗斷面，布置垂線測量水深，在垂線范圍測量各點流速，由相鄰垂線平均流速的均值與垂線間面積之積為部分流量，各部分流量之和為全斷面流量。

qi＝viAi（1）式中：qi——第 i 部分的流量，m3/s；vi——第 i 部分的斷面平均流速 ，m/s；Ai——按 測速垂線劃分第 i部分的斷面面積，m2。

全斷面流量計算式：

當(dāng)測速垂線數(shù) n→∞ 時，實測流量 Q→Q′流量真值，實際上由于測量歷時和測驗工作量的限制，測速垂線數(shù)不可能無窮多，因此，實測流量 Q 不可能等于真值 Q′，需要對實測流量改正后才是斷面通過流量即

Q′＝mQ （3）

式中：Q′——通過斷面的流量真值，m3/s；Q——通過斷面的實測流量，m3/s；m——流量改正因素。

當(dāng)測速斷面出現(xiàn)死水時，死水區(qū)的斷面面積不超過斷面總面積的 3%時，死水區(qū)可作流水；當(dāng)測流斷面上出現(xiàn)回流區(qū)時，回流量超過斷面順流量的 1%時，應(yīng)施測回水區(qū)的流量即為逆流量，量值前應(yīng)加負(fù)號。

2 單次流量測驗真值和誤差

實際測流量時不可能將部分面積分成無限多，而是分成有限部分，從公式（2）可看出，實測的流量只是實際流量的近似值。每一次測量流量都需要一定時間，不能瞬時完成，因此實測得到的流量是時段的平均值，并非瞬時流量值。對測得流量有 3 點認(rèn)識：1）很難測得真值，測量獲得值是真值的近似值；2）很難在真值不變條件下重復(fù)測量；3）測得值時間非瞬時時刻。

單次流量測驗獲得流量誤差，即以斷面多線多點測得的結(jié)果做標(biāo)準(zhǔn)，評定減線減點后測得成果的誤差，用來選擇能保證成果精度，能減少工作量，縮短測驗歷時的方法，這種評定方法只能求出精簡條件下成果總誤差，而成果總誤差是由各要素直接測量的誤差傳遞來的，實際工作中難以由總誤差推求出成果各要素直接測量的誤差，也就很難找出影響成果誤差的因素，導(dǎo)致有效控制測量誤差與降低總誤差的目標(biāo)不明確。

3 單次流量測驗總不確定度與已定系統(tǒng)誤差的估算評價

測量值誤差是對真值來說的，單次流量測驗真值很難獲得，常用總不確定度與已定系統(tǒng)誤差進(jìn)行估算評價。

總不確定度估算式：

式中：X′Q——流量總隨機(jī)不確定度，%；X′m——斷面Ⅲ型隨機(jī) 不確定度 ，%；X′e——斷 面Ⅰ 型 隨機(jī)不 確定度，%；X′p——斷 面 Ⅱ型隨 機(jī)不確定 度，%；X′c——流速儀率 定 隨機(jī)不 確定度，%；X′b——斷 面的測 寬隨機(jī)不確 定 度，%；X′d——斷面 的 測深 隨 機(jī)不確 定度，%；m——斷面的測速垂線數(shù)目。

式中：X″

Q——流 量 總系 統(tǒng) 不 確 定 度 ，%；X″b——測寬 系 統(tǒng) 不 確 定 度 ，%；X″d—— 測 深 系 統(tǒng) 不 確 定度，%；X″c——流速儀檢定系統(tǒng)不確定度，%。

已定系統(tǒng)誤差估算式：

式中：μQ——流量已定系統(tǒng)誤差，%；μm——Ⅲ型誤差的已定系統(tǒng)誤差，%；μs——斷面Ⅱ型誤差的已定系統(tǒng)誤差，%。

單次流量測驗誤差除上述主要方面影響外，還有流速儀靜水檢定、水流特性、儀器懸吊工具及方式、流向與斜流程度、垂向運(yùn)動、水流的紊流程度和計算、流量計算方法等。

4 誤差估算公式應(yīng)用

以一類精度洮兒河洮南水文站為例，計算該站當(dāng)年的高、中、低水流量總不確定度和已定系統(tǒng)誤差。

選用 2013 年第 11 次流量，5 月 15 日 8∶45，水位 145.17 m；第 14 次流量，5 月 17 日 9∶10，水位146.0 8 m；第 45 次流量，8 月 6 日 9∶05 分，水位148.60 m，共 3 次高中低水實測流量資料，查讀《河流流量測驗規(guī)范》及《吉林省水文資料整編及測驗質(zhì)量評定細(xì)則》，求得下列對應(yīng)參數(shù)，而后用公式（4）—（7），計算出不確定度及系統(tǒng)誤差，見表 1。

表 2 為洮南站 2013 年 3 次高水（45 次）、中水（14 次）、低水（11 次）實測流量測驗不確定度與系統(tǒng)誤差的檢驗對照表。結(jié)果表明，單次流量不確度合理，系統(tǒng)誤差低水時成果超標(biāo)不大，說明單次流量測驗具有一定精度，滿足規(guī)范及使用要求。

表2 2013年洮南站實測流量測驗不確定度和系統(tǒng)誤差檢驗對照表%

5單次流量測驗誤差估算的基本思路及影響因素

流速儀法單次流量測驗誤差估算，是對影響誤差的各種因素在不同條件下進(jìn)行多次試驗，把獲得的數(shù)據(jù)用統(tǒng)計的辦法算出各因素的誤差，確定流量測驗允許誤差指標(biāo)。影響單次流量誤差因素有：①測深誤差；②測寬誤差；③流速儀檢定誤差；④由測點有限測速歷時和流速脈動導(dǎo)致的誤差；⑤由測速垂線數(shù)測點數(shù)目不足導(dǎo)致的垂線平均計算流速誤差；⑥由測速垂線數(shù)目不足導(dǎo)致的部分平均流速計算誤差等。影響流量精度因素實際測量中必須引起重視，尤其低水時誤差的影響。

6 結(jié)語

該方法推算單次流量成果合理，精度可靠。按照水文站測驗精度，還有實測流量資料，就可以進(jìn)行估算分析檢查。建議當(dāng)單次流量異常時采用誤差估算考證，十分必要，有利于水文預(yù)報、水文分析、水文計算及工程設(shè)計規(guī)劃的需要。

［1］GB50179-93，河流流量測驗規(guī)范［S］.

P332

A

1002－0624（2014）07－0045－02

2014-03-04