長江中游河段水文測站浮標系數(shù)的分析率定

歐陽凱，林天才，黃錦鑫

（1.長江中游水文水資源勘測局岳陽分局，湖南 岳陽 414000；2.長江中游水文水資源勘測局赤壁分局，湖北 赤壁 437300）

浮標法測流是指通過測定水中天然或人工漂浮物隨水流運動的速度，結(jié)合斷面資料及浮標系數(shù)來推求流量的一種方法之一。用水面流速或其他簡測方法測得的流速與斷面面積乘積求得的流量稱為虛流量。虛流量乘以浮標系數(shù)可得到需要的實測流量。由于浮標測流中要經(jīng)常使用浮標系數(shù)（用流速儀法測得的斷面流量與用水面浮標法測得的虛流量的比值），因此，浮標系數(shù)的精度將直接影響流量測驗的精度，浮標系數(shù)是決定流量測驗精度的重要因素之一。

根據(jù)流量規(guī)范要求，浮標系數(shù)應經(jīng)過試驗分析來確定，并且在不同的測流方案中應使用各自相應的試驗浮標系數(shù)。

1 浮標系數(shù)分析的目的與作用

目前水文測站在遭遇稀遇洪水、超出流速儀法測驗適用條件和在規(guī)劃部署流量測驗方案中收集流量資料時或在高洪期間，遇到上下游分洪、潰口等特殊水情時，水面浮標法、中泓浮標法作為最原始、最簡便、最有效的高洪測驗備選方案以彌補測站測洪能力的不足，浮標法是應急流量監(jiān)測的有效手段和補充。即使測站歷史上已分析有斷面浮標系數(shù)，由于人類活動影響，許多河流的自然屬性已經(jīng)改變，分析測站浮標系數(shù)的改變，對提高測站測洪能力、測驗精度也是很有必要的。其作用有：

（1）通過分析能找到符合測站特性的斷面浮標系數(shù)及適用條件，有利于提高高洪測驗時采用水面浮標法測驗的精度，提高測站測洪能力。

（2）通過分析有利于加深對測站水文特性的認識，提高浮標流量測驗水平。

（3）有利于特殊水情時提高應用浮標法流量測驗的應急監(jiān)測水平。

2 浮標系數(shù)分析率定

2.1 測站概況

本文以長江中游河段螺山站為例作為分析樣本，對該站多年實測浮標流量和流速儀流量資料進行分析。

螺山水文站建于1953年，位于北緯29°40′，東經(jīng)113°22′，地處長江左岸的湖北省洪湖市螺山鎮(zhèn)。上距洞庭湖出口約30.5km，下距武漢約210km，流域面積約1 294 911km2，是長江中游干流在接納洞庭湖水后的第一個重要水情控制站。

螺山測驗河段較為順直，上游約7.5km有楊林山卡口，河道上窄下寬呈喇叭型。左岸上游約140m有螺山電排站，下游約150m有2000年建成的螺山船閘；右岸上游約800m有鴨欄磯伸向河心，中高水時對右岸部分測速垂線產(chǎn)生影響。螺山水文站測驗斷面呈 W 型，河寬一般為1 400～1 800m。測驗河段中泓偏左，歷年沖淤變化較大。影響螺山水位流量關(guān)系的因素也較為復雜，主要受上游洪水漲落影響，另外，下游回水頂托及河段沖淤變化對水位流量關(guān)系有一定影響。

2.2 資料的選用

分析資料典型年份的選擇是根據(jù)上游長江三峽工程蓄水前后情況并考慮高、中、低水年進行的。由于2003年長江三峽工程正式下閘蓄水投入運用，因此，分別選擇蓄水前的1998～2002年和蓄水投入運用后的2003～2010年浮標流向資料進行分析?？紤]了各年最高、最低水位實測資料，并同時兼顧各水位級大致均勻分布為原則（見表1）。

表1 螺山站浮標系數(shù)率定成果表

3 分析內(nèi)容與分析方法

3.1 分析內(nèi)容

采用水位流量關(guān)系曲線法，將選用浮標流向資料改算為浮標虛流量資料，在對應水位流量關(guān)系曲線上查找對應流量。然后確定相關(guān)系數(shù)、進行曲線檢驗、驗算統(tǒng)計精度。

3.2 分析方法

（1）選用1998～2010年不同水位級共21次流向測驗資料。

（2）分別繪制浮標流速橫向分布曲線，以縱坐標為浮標流速，橫坐標為起點距，點繪每個浮標的點位，對個別突出點查明原因，屬于測驗錯誤的則予舍棄。

（3）在擬合好的浮標流速橫向分布曲線上，分別查讀固定測深垂線所對應的虛流速，以測深作為計算部分面積的分界，各部分面積乘以對應的部分浮標虛流速，累積求和即為浮標虛流量。

（4）在水位流量關(guān)系曲線上，與浮標測點同一洪水過程的曲線上查讀流量，或在各年整編成果推算出的同一洪水過程線上查讀流量作為斷面實測流量。

（5）以斷面實測流量Q為縱坐標，斷面浮標虛流量Qf為橫坐標，將各點分別點繪在坐標圖中，若各分析測次密集成帶狀時，即可通過點群重心及原點繪制成一條直線，該直線的斜率即為所求斷面平均浮標系數(shù)Kf，如式（1）。

4 資料統(tǒng)計及誤差分析

（1）在數(shù)據(jù)整理分析時，選用1998-2010年不同水位級共21次流向測驗資料分析得到浮標虛流量Qf、水位流量關(guān)系查線流量Q相關(guān)圖（見圖1）。

圖1 螺山站浮標流量Qf～查線流量Q關(guān)系圖

（2）通過分析推求得到曲線斜率及斷面平均浮標系數(shù)Kf=0.855。

（3）對所定浮標虛流量Qf～水位流量關(guān)系查線流量Q相關(guān)曲線，誤差統(tǒng)計檢驗見表2。

①標準差：3.17%

③系統(tǒng)誤差：0.77%

表2 螺山站歷年浮標流量相關(guān)關(guān)系三種檢驗表

5 誤差產(chǎn)生的原因

采用歷年流向資料分析過程中，有少部分資料出現(xiàn)浮標系數(shù)大于1的不合理現(xiàn)象。原因主要有以下幾點：

（1）采用水位流量關(guān)系曲線法分析時，由于流速儀流量與浮標流量不是同步實測，造成定線精度偏大或偏小。

（2）浮標系數(shù)可能存在不穩(wěn)定，以及浮標系數(shù)本身誤差、流向資料借用斷面誤差。

（3）低水期水深較小，垂線流速梯度變化不大，則浮標系數(shù)較大。

6 結(jié)論

（1）通過對螺山站歷史資料采用水位流量關(guān)系曲線法分析，經(jīng)綜合考慮各種因素，螺山站斷面平均浮標系數(shù)Kf采用0.855可以達到規(guī)范精度要求。

（2）應用范圍

水位：20.71～33.00m；

流量：9 200～66 400 m3／s。

[1]SL247-1999，水文資料整編規(guī)范[S].

[2]河海大學.水文測驗學[M].鄭州：黃河出版社，2003.