民和水文站比降面積法測(cè)流實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】民和水文站控制的湟水河段屬山溪性河流，水位漲落非常急劇，在高水時(shí)斷面流速大，漂浮物多，用流速儀法或浮標(biāo)測(cè)流，不能完全滿足測(cè)報(bào)大洪水的需要，通過(guò)民和水文站比降～面積法實(shí)驗(yàn)研究，提供另外一種流量測(cè)驗(yàn)方法，基本滿足民和水文站高水流量測(cè)驗(yàn)問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】民和水文站；流量測(cè)驗(yàn)；比降面積法

1、方法及原理

1.1 方法

①根據(jù)相關(guān)水文資料觀測(cè)規(guī)范要求，分別測(cè)量上、下比降大斷面及基本水尺斷面；在民和（三）斷面上、下比降斷面水尺觀測(cè)水位；基本水尺水位采用雷達(dá)水位計(jì)自記數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)流量為吊箱流速儀（LS25-3）測(cè)得。

②根據(jù)民和站歷年的糙率資料和比降資料，結(jié)合河底比降，研究不同流量下該河段的糙率、比降變化規(guī)律，并驗(yàn)證本次觀測(cè)比降數(shù)據(jù)的合理性。

③計(jì)算上、下比降斷面及基本水尺斷面面積，繪制水位～面積關(guān)系圖、表；計(jì)算三個(gè)斷面分級(jí)水位下的平均面積和濕周，得出平均水力半徑；采用公式計(jì)算非恒定流中任一瞬時(shí)流量。

④根據(jù)比降～面積法計(jì)算的各瞬時(shí)流量和流速儀法施測(cè)的水位～流量關(guān)系曲線查讀的相應(yīng)各瞬時(shí)流量進(jìn)行誤差計(jì)算和評(píng)定。

1.2 原理

比降面積測(cè)流法也是流速面積法的一種，其原理等同于曼寧公式，它是測(cè)量比降，用水力學(xué)公式計(jì)算河段平均流速 ，測(cè)量河段的平均斷面面積 ，并將平均流速與平均斷面面積的乘積得流量，即：

河段平均流速 用下式計(jì)算，即

的精度取決于能面比降和糙率系數(shù)的精度。對(duì)于不均勻河段，必須用能面比降Ie，動(dòng)能沿程變化不可忽略。只有當(dāng)河槽沿程變化不大的情況下，能面比降可以近似地等于水面比降，即

。橫斷面測(cè)量應(yīng)盡可能和水位觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行，在測(cè)驗(yàn)河段內(nèi)一般不少于三個(gè)斷面。

河段平均斷面面積 的計(jì)算：

河段平均濕周 的計(jì)算：

A1、 ：各斷面測(cè)量的斷面面積； 、 ：每一斷面面積對(duì)應(yīng)的濕周；M：施測(cè)斷面數(shù)； ：河段平均水力半徑。

河段選擇的條件，必須滿足測(cè)站布設(shè)中比降水尺河段選擇的條件，為了保證精度，河段水面落差至少要十倍于落差觀測(cè)誤差。河段內(nèi)要求河槽穩(wěn)定，糙率穩(wěn)定，精度較高。

當(dāng)用比降～面積法測(cè)流時(shí)，應(yīng)進(jìn)行河段流態(tài)分析，并用下式計(jì)算佛汝德數(shù)：

：佛汝德數(shù)； ：斷面平均水深（m）。

但是實(shí)際應(yīng)用中河道，河道情況較為復(fù)雜，考慮到河段的收縮、擴(kuò)散等各類因素，在《流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中，對(duì)于比降～面積法的公式有明確規(guī)定，即水流情勢(shì)為恒定流和水流情勢(shì)為非恒定流兩種情況，本研究采用水流情勢(shì)為非恒定流時(shí)的計(jì)算公式：

：比降、面積法測(cè)算的流量（m3/s）； ：河段平均輸水率；

：水面比降； ：局部阻力系數(shù)。當(dāng)河段收縮時(shí)宜取0，逐漸擴(kuò)散時(shí)宜取0.3～0.5； ：動(dòng)能校正系數(shù)，可取值1.10； ：重力加速度（m/s2）； ：比降上、下斷面間距（m）； ：比降上斷面面積； ：比降下斷面面積。

河段平均輸水率應(yīng)按下式計(jì)算：

a、當(dāng)比降上、中、下斷面，沿程變化不均勻時(shí)：

n：河段糙率。

b、當(dāng)只設(shè)有上、下斷面，或上、中、下三個(gè)斷面變化基本均勻時(shí)：

：比降中斷面面積。

民和（三）水文站的河道順直，建站以來(lái)的水位～流量關(guān)系線多為單一線，通過(guò)對(duì)流速儀測(cè)流斷面測(cè)得流速、面積、平均水深計(jì)算驗(yàn)證，該河段佛汝德數(shù)均小于0.5，屬于緩流，流態(tài)基本穩(wěn)定。因此，本次計(jì)算采用公式為：

民和（三）站控制河段河道比降為2.6‰，水位～流量關(guān)系在中、低水時(shí)多為單一線，關(guān)系較為穩(wěn)定。高水時(shí)水位～流量關(guān)系為繩套線。由于近幾年來(lái)湟水的水沙量較小，觀測(cè)水位范圍為高、中水，缺少大洪水資料。

在進(jìn)行分析前，為了保證資料的準(zhǔn)確性，對(duì)水位原始資料進(jìn)行了仔細(xì)審查，對(duì)比了上、下比降水尺和基本水尺的水位差值，89組水位觀測(cè)值均合格。2015年民和（三）站共實(shí)測(cè)流量41份，其中最大流量為159m3/s.

2、流量計(jì)算

2.1 斷面面積。本次計(jì)算使用的河段平均斷面面積和水力半徑值，采用了上、中、下三個(gè)斷面的平均值，中斷面的面積計(jì)算值和平均值較接近，但是水力半徑計(jì)算數(shù)值相差較遠(yuǎn)。因此，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，使用的面積、水力半徑等數(shù)據(jù)均采用三個(gè)斷面的平均值。

2.2 比降。水面比降，是指沿程流向每單位水平距離的水面高程差，本文以千分率表示。一般情況下，民和（三）站受洪水漲落影響的水位～流量關(guān)系曲線多為逆時(shí)針繩套線，繩套線的胖瘦取決于附加比降的大小。洪峰的漲落在同一水位下其附加比降基本相近或基本相等。

民和（三）水文站控制河段河道比降平均約為2.6‰，本研究所用比降數(shù)據(jù)為實(shí)際觀測(cè)的上、下比降水尺差值與河段距離之比計(jì)算所得。2015年實(shí)測(cè)比降數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，民和站的比降數(shù)據(jù)在漲水和落水時(shí)，明顯分為兩個(gè)系列。同一水位下，漲水時(shí)的比降數(shù)值明顯要小于落水時(shí)的數(shù)值。

2.3 糙率。糙率，是指表征河渠底部和岸壁影響水流阻力的各種因素的一個(gè)綜合系數(shù)。根據(jù)2015年實(shí)測(cè)比降數(shù)據(jù)，用曼寧公式計(jì)算河段糙率值，民和站的糙率數(shù)據(jù)變化規(guī)律和比降數(shù)據(jù)變化規(guī)律相一致，即：在漲水和落水時(shí)，明顯分為兩個(gè)系列。

根據(jù)2015年的89次比降觀測(cè)值，計(jì)算得的糙率均值為0.029。

2.4 流量

①曼寧公式法

曼寧公式：

：比降、面積法測(cè)算的流量（m3/s）；N：糙率，取平均值0.029；

：斷面平均面積（上、中、下斷面平均值）； ：斷面平均水力半徑（上、中、下斷面平均值）； ：觀測(cè)水面比降。

通過(guò)曼寧公式計(jì)算所得的流量結(jié)果和水位～流量關(guān)系線查線結(jié)果比較誤差較大，不符合規(guī)范要求。其結(jié)果和水位～流量關(guān)系線比較：系統(tǒng)誤差為-4.68，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.77，標(biāo)準(zhǔn)差7.24，其中最大相對(duì)誤差為-20.9%。。

②比降面積公式

根據(jù)《流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》中的恒定流比降面積公式（因河段基本順直，不考慮擴(kuò)散），計(jì)算流量數(shù)據(jù)，通過(guò)分析可知，計(jì)算所得數(shù)據(jù)較合理，其結(jié)果和水位～流量關(guān)系線比較：系統(tǒng)誤差為-1.09，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.39，標(biāo)準(zhǔn)差3.67。

③計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

使用曼寧公式計(jì)算結(jié)果與使用比降面積公式計(jì)算結(jié)果所比較，可以看出，使用比降面積公式計(jì)算所得結(jié)果大大優(yōu)于曼寧公式計(jì)算結(jié)果，各項(xiàng)誤差大幅減小，說(shuō)明該公式比較適用于民和（三）斷面的流量計(jì)算。在研究中我們希望誤差能進(jìn)一步減小，于是就對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整研究。研究發(fā)現(xiàn)，局部阻力系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，規(guī)范中對(duì)局部阻力系數(shù)的給值范圍是0.3～0.5，由于計(jì)算結(jié)果還是有系統(tǒng)偏差，于是引進(jìn)了校正系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)校正系數(shù)為0.97時(shí)，結(jié)果最優(yōu)，基本與實(shí)測(cè)流量確定的水位～流量關(guān)系線重合。

④調(diào)整后的比降面積公式

調(diào)整比降面積公式的參數(shù)至最優(yōu)后的公式如下：

通過(guò)修正各項(xiàng)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，調(diào)整后的比降面積公式計(jì)算結(jié)果較理想。

3、誤差統(tǒng)計(jì)

用比降～面積公式計(jì)算的流量點(diǎn)距，與該站2015年流速儀測(cè)得的流量確定的水位～流量關(guān)系線比較，無(wú)明顯的系統(tǒng)偏差；計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的水位～流量關(guān)系線對(duì)比結(jié)果為：系統(tǒng)誤差為-0.20，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.06，標(biāo)準(zhǔn)差0.55，置信度（95%）為1.10%。

4、結(jié)論

4.1 本次比降～面積法計(jì)算流量實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合民和站自身特性，對(duì)《規(guī)范》中的原公式各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)整，使其最優(yōu)化。

4.2 用比降～面積公式計(jì)算的流量，結(jié)果良好，其精度滿足《規(guī)范》規(guī)定的用比降～面積法在小河站測(cè)流的精度要求，

4.3 民和（三）站設(shè)立時(shí)間較短，由于在研究期內(nèi)民和（三）斷面來(lái)水量都比較小，高水資料少，其資料系列高水部分有待進(jìn)一步探討和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]李東善，崔官，金哲等.淺談比降——面積法測(cè)流.吉林水利，2000.04：8～9

[2]李希國(guó)，孟祥彬，楊炳榮，王燕，閻照喜，孫蘭蘭等.比降——面積法測(cè)流在小河站上的應(yīng)用.水文，2001.01：53～55

[3]潘云波，楊文娟，袁輝，孟凡亮等，影響比降——面積法洪峰流量精度的主要因素.黑龍江水利科技，2008.05：69～71

[4]郝紹生.比降——面積法主要參數(shù)的分析.甘肅水利水電技術(shù)，2009.09：22～23

作者簡(jiǎn)介：孔令峰，男，1991年生，甘肅靖遠(yuǎn)人，本科學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)主要從事水文水資源分析研究。