關(guān)于流速儀測流計(jì)算及整編資料的探討

□董愛紅 □張金強(qiáng)（新疆水利廳瑪納斯河流域管理處）

1 研究對象

文章當(dāng)中的研究對象選取瑪納斯河流域，地處準(zhǔn)噶爾盆地的西南部，天山北麓中段，東鄰塔西河，西鄰巴音溝河，南鄰依連哈比爾尕山，北鄰古爾班古特沙漠?，敿{斯河干流全長427 km，流域總面積達(dá)1.98萬km2，其中山區(qū)面積達(dá)0.51萬km2，平原面積達(dá)1.46萬km2，總灌溉面積達(dá)26萬hm2，年平均徑流量為13.11億m3，流域內(nèi)總?cè)丝跒?8萬人。本次研究中進(jìn)行水流測量的單位為新疆水利廳瑪納斯河流域管理處，水文站承擔(dān)瑪納斯河的統(tǒng)計(jì)分析任務(wù)，但是在進(jìn)行日常測量的過程當(dāng)中，經(jīng)常在進(jìn)行斷面水位流量監(jiān)測工作時(shí)受到嚴(yán)重的阻礙，有時(shí)水流甚至?xí)霈F(xiàn)逆流的情況。因此，文章試采用連實(shí)測流量過程線法對流量資料進(jìn)行整編，進(jìn)而對新疆水利廳瑪納斯河流域管理處對斷面水流監(jiān)測的精度予以提升。在流量資料整編的過程當(dāng)中，采用連實(shí)測流量過程線法進(jìn)行徑流量統(tǒng)計(jì)的結(jié)果精度較低，實(shí)際測量流量的分布能否對河道流量的變化過程進(jìn)行完全控制，將會對按照實(shí)測流量過程線法所進(jìn)行的流量資料整編精度產(chǎn)生影響。因此，適當(dāng)對斷面水流流速的測量次數(shù)進(jìn)行增加，能夠?qū)拥懒魉僮兓^程進(jìn)行最大程度上的掌控，進(jìn)而也能夠提高采用連實(shí)流速過程線法的資料整編精度。

2 水流流速測量情況

2.1 斷面水流速監(jiān)測方法

新疆水利廳瑪納斯河流域管理處的斷面水流速監(jiān)測工作當(dāng)中，均采用流速儀對河道流速進(jìn)行測量，在一年當(dāng)中所要進(jìn)行的測流次數(shù)要取決于高、中、低各級水位與水情變化過程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一般穩(wěn)定斷面可相對減少測次，但每年測次不得少于15次，而復(fù)雜多變的斷面可在每年的5-8月當(dāng)中，每2天進(jìn)行一次測量，而在其他月份當(dāng)中，每3天進(jìn)行一次測量，同時(shí)要滿足推算逐日流量與各項(xiàng)特征值的要求，隨后將全面所測得的所有流速按照測量的時(shí)間順序，并采用連實(shí)測流速過程線法對資料進(jìn)行整編。

新疆水利廳瑪納斯河流域管理處在對河道斷面監(jiān)測時(shí)所采用的流速儀測速方法又可分為精測與常測兩種，每月至少采用一至兩次的精測法，而其他時(shí)間均采用常測法。精測法指的是按照水流流速測驗(yàn)規(guī)范，在水流斷面布置6條左右測速與測深的垂線，在所有測速的垂線上采用五點(diǎn)法對流速的測點(diǎn)進(jìn)行分布，對垂線上的平均流速進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到斷面瞬時(shí)流速。值得注意的是，在水流斷面所布置的測點(diǎn)不得超過9個(gè)，同時(shí)單次的測量時(shí)間平均在半個(gè)小時(shí)以上，并在9個(gè)測點(diǎn)當(dāng)中選用1個(gè)常測點(diǎn)作為水流流速的測點(diǎn)。常測法是日常采用的測量方法，在精測法的基礎(chǔ)上對流速進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測后進(jìn)行精簡分析，在斷面上布置8-9條測速與測深的垂線，在所有測速垂線上采用一點(diǎn)法將流速的測點(diǎn)進(jìn)行分布，通過垂線對平均流速進(jìn)行計(jì)算，從而得到水流斷面的瞬時(shí)流速。在采用常測法進(jìn)行斷面水流的監(jiān)測過程當(dāng)中，斷面水流的測點(diǎn)數(shù)不得超過6個(gè)，同時(shí)單次測量時(shí)間平均在半個(gè)小時(shí)以上。

2.2 資料整編問題

在采用流速儀進(jìn)行水流監(jiān)測時(shí)，精測法與常測法均能夠滿足河道水流速單次測量精度的要求，但是在測次的分布當(dāng)中，2-3 d的水流速測次分布并不一定能夠?qū)@段時(shí)間內(nèi)的水流速變化過程進(jìn)行準(zhǔn)確測量，在采用連實(shí)測流速過程線法對水流速資料進(jìn)行整編時(shí)，年、月、日水流流速的推算結(jié)果必然存在較大的誤差。如果采用流速儀的同時(shí)將精測法與常測法的測次增加，則能夠?qū)⑺魉偃兆兓倪M(jìn)程進(jìn)行準(zhǔn)確反映，進(jìn)而也能夠提高水流速資料整編以及統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精度，但是也會增加水流速每日測驗(yàn)的工作量。以目前新疆水利廳瑪納斯河流域管理處的人員情況來看，根本無法完成這項(xiàng)工作，因此就要針對當(dāng)下的實(shí)際情況，為提高水流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精度，就要采用不僅符合水流速測驗(yàn)精度，也能減少測流工作量與時(shí)間的測驗(yàn)方法，即為斷面流速代表垂線法。

3 斷面流速代表垂線法測驗(yàn)水流速的分析

代表垂線法指的是通過精測法對水流速進(jìn)行實(shí)際測量后所得資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且找到1-2條能夠代表斷面平均流速的測速垂線，對斷面流速進(jìn)行測驗(yàn)時(shí)，就可以只對代表垂線進(jìn)行平均流速的統(tǒng)計(jì)即可，隨后將代表垂線的平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e相乘，即可得到斷面水流量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這樣一來，既能夠降低單次水流測速的工作量，同時(shí)也能有效縮短測驗(yàn)時(shí)間，與此同時(shí)，將代表垂線法與精測法進(jìn)行測量的水流速進(jìn)行比較后能夠發(fā)現(xiàn)，測驗(yàn)的誤差能夠在規(guī)定的合理范圍之內(nèi)。

3.1 流速代表垂線的分析

文章當(dāng)中所分析的代表垂線，選取新疆水利廳瑪納斯河流域管理處2006-2007年間所采用的33次精測法對水流速進(jìn)行實(shí)際測量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對斷面上與起點(diǎn)距離2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m以及18 m處的測速垂線平均流速與水流斷面的平均流速進(jìn)行對比分析。由分析結(jié)果能夠明顯看出，所選取的各條測速垂線以12 m處垂線的平均流速與斷面水流平均流速差異不顯著，因此可以選取12 m處測速垂線作為斷面水流平均流速的代表垂線。見圖1。

圖1 代表垂線平均流速與斷面平均流速相關(guān)關(guān)系圖

斷面平均流速與代表垂線平均流速的關(guān)系公式為

V=25.39×10-2n+0.89×10-2，n=N/T

在上述公式當(dāng)中，N代表總轉(zhuǎn)數(shù)，T為相應(yīng)的總歷時(shí)。

3.2 過水?dāng)嗝婷娣e的選取

瑪納斯河流域當(dāng)中的含沙量與含泥量較小，所監(jiān)測的水流斷面處流速較慢，河床沖淤的變化不顯著。在不同時(shí)間段的河堤高程對比分析結(jié)果當(dāng)中可以看出，監(jiān)測處的水流斷面河床較為穩(wěn)定，斷面水位與過水?dāng)嗝婷娣e的關(guān)系顯著，因此在采用代表垂線進(jìn)行水流監(jiān)測時(shí)，可以借鑒精測法對于水流速測驗(yàn)的水深進(jìn)行過水?dāng)嗝婷娣e的計(jì)算。

3.3 流速代表垂線法與精測法的對比分析

在以往采用精測法進(jìn)行實(shí)際測量并計(jì)算的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)當(dāng)中，采用斷面平均流速與代表垂線平均流速的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算后，能夠得出斷面水流平均流速與過水?dāng)嗝婷娣e相乘之后的結(jié)果，將所得結(jié)果與精測法的實(shí)際測量水流速結(jié)果進(jìn)行對比分析后，針對流速代表垂線法流速測驗(yàn)的誤差進(jìn)行評估。

4 結(jié)語

本次研究當(dāng)中針對流速儀的測流計(jì)算采用了流速代表垂線法進(jìn)行分析，代表垂線當(dāng)中所測量的垂線平均流速能夠代表斷面的平均流速，同時(shí)符合我國相關(guān)規(guī)定。采用代表垂線法以后，每次測量時(shí)僅需要將垂線上設(shè)置3-5個(gè)測速點(diǎn)，單次測驗(yàn)時(shí)間可縮短至15 min，不僅精度誤差較小，同時(shí)也能大幅度減少新疆水利廳瑪納斯河流域管理處所要承擔(dān)的工作量，解決了人員少與工作量大之間的硬性矛盾，可以在全國范圍內(nèi)進(jìn)行廣泛的推廣與應(yīng)用。

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