水文流量測驗水深測量誤差

蔣國民 仇東山 劉銘 濟南市水文局

1.項目簡述

機床二廠水文站是濟南市興濟河上游關(guān)鍵控制站，建于2014年，集水面積67.4KM2,監(jiān)測斷面上下游河道規(guī)整，該站擔負著在汛期對下游4KM處的臘山分洪工程提供分洪決策的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，該站屬于山洪季節(jié)性河流，河道來水主要集中在每年的7-9月份主汛期，每逢大雨，水勢陡漲陡落，水位、流量變化較快，監(jiān)測數(shù)據(jù)極易出現(xiàn)誤差。

機床二廠水文站目前采用雷達水位計監(jiān)測水位，電波流速儀人工測驗流量。

機床二廠大斷面圖如圖1。

測深、測速垂線分布起點距3、7、11、15、19、23、27 m 共計7條

該水站是興濟河上游的關(guān)鍵控制站，主要的作用就是水位、流量等部分的測定和報訊，給當?shù)睾恿飨掠蔚姆篮榭购岛退畮旌侠淼氖褂锰峁┝己玫幕A條件。經(jīng)過資料分析，水流量關(guān)系圖存在著一定的偏差，導致了流量計算數(shù)據(jù)存在較大的偏差。

2.水道斷面測量誤差的來源及控制

水道斷面測量數(shù)據(jù)偏差主要是由于測深垂線設置數(shù)目、水深數(shù)據(jù)和水面寬度等。

2.1 測深垂線布設

圖1

根據(jù)數(shù)據(jù)誤差傳遞角方面來分析，水深測量的偏差直接傳遞給水道面積，然后會影響流量。在斷面平均速度達到規(guī)定的數(shù)據(jù)之下，面積所造成的誤差會導致流量產(chǎn)生相同的誤差。為了使得斷面數(shù)據(jù)的精確度，就要通過使用較多的垂線來進行河床變化轉(zhuǎn)折點的控制。從目前的水利工程標準規(guī)范中確定，在進行測深垂線數(shù)目的精簡應該按照精密探測的數(shù)據(jù)資料來進行，精密測深的資料中垂線的布置應該不能少于精測中布置垂線的2倍。按照該標準的要求，該水站在2014年進行密測深誤差試驗。從資料的精簡分析，精簡之后所測深垂線數(shù)量相對平均差和相對標準差詳見表1。

表1 測深垂線精簡誤差統(tǒng)計表

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，面積測驗精度會伴隨著測深出現(xiàn)數(shù)量的增多而逐步提升，在水邊到5條的情況下，相對標準差不超過2.0%；在垂線數(shù)量確定為7條是，相對誤差不超過1.0%。經(jīng)過試驗分析可以發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)脑黾訙y深垂線的數(shù)量，操作比較簡單，能夠從根本上提升面積測驗數(shù)據(jù)的精確度。在該水文站中的流量數(shù)據(jù)測驗過程中，通過測深和測速垂線的設置方式，確定該地區(qū)中的測深垂線數(shù)量在高、中、低水分分別應不少于5、7條，并且要保證其均勻分布到測量區(qū)域內(nèi)，對于主槽來說，要比灘地布置密集。

2.2 水深測量

水深測量應用的是浮子式水位計監(jiān)測來進行，導致該數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)偏差的主要原因就是浮子式水位計豎井前壅水以及豎井進水孔被雜物堵塞等，同時還與浮子式編碼傳感器、懸索的穩(wěn)定性等有著直接的關(guān)系。為了能夠保證測量數(shù)據(jù)精度，避免出現(xiàn)偏差的問題，2016年把浮子水位計改為雷達式水位計，按照規(guī)范標準操作。通過多次與直立水尺比測，基本能解決浮子式水位計所導致的誤差問題，計算測深的相對標準差為1.4%，相對平均誤差為0.24%。從這個方面發(fā)現(xiàn)，該水站的雷達式水位計完全達到要求。

2.3 水面寬測量

該水站中的水面寬度尺寸通過每年的大斷面測量讀取，誤差主要是因為河道大斷面淤積、河道整治產(chǎn)生的斷面變化。為了能夠避免誤差問題的存在，該水站在每年的汛期之前進行大斷面以及測深、測速垂線的的糾正，保證其布設和垂直度合格。為了充分的了解該水站的測寬面積所產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)，在2014年技術(shù)人員應用全站儀來進行大斷面以及測流垂線的檢測，總計對比分析了148條垂線，確定測寬隨機不確定為2.0%，系統(tǒng)不確定度為0.12%。從這個方面發(fā)現(xiàn)，整個地區(qū)的的測速、測深垂線可以達到標準的要求。導致面積測量存在誤差的原因除了上述幾個方面之外，洪水期水位漲落過大、淤泥量大、測流時間等都是主要原因，所以需要合理的調(diào)整，以保證數(shù)據(jù)的精確度。

3.流速測驗的誤差來源及控制

3.1 測點流速誤差

該水站中的常規(guī)測流速的歷時一般為100s最為合理，特殊條件之下應該采用一點法進行測速，最好是選擇0.6或0.5一點法，歷時控制在80～30s之間，此時應該根據(jù)實際的測量需要來確定測速、測深垂線，以更好的減少測點流速對于測量誤差所產(chǎn)生的影響。洪水期間內(nèi)水位漲落比較大，通過增加測速歷時來提升測量精度的方式是不可取的，因為這會導致測流歷時的延長，進而導致水位通過近似計算法會導致流量數(shù)據(jù)存在過大的偏差。

3.2 垂線測點流速測驗

從本站內(nèi)的2014年所設置的3條5點法垂線資料分析，需要進行流速測點的精簡處理。按照規(guī)范的要求，計算表1中的各種方法所獲取的數(shù)據(jù)，總結(jié)出表2中的數(shù)據(jù)偏差。

根據(jù)上表2中的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該水站內(nèi)應用三點法來進行測算數(shù)據(jù)精度最高，為了能夠選擇最佳的測速方案。其次是兩點法，這兩種測量方法的數(shù)據(jù)精度完全能夠達到標準的要求；一點法中的測速偏差超出規(guī)范要求，不要選擇該測量方法；一點法測速方式應用中，0.6一點法精度最高，其次是0.5一點法。在達到測流精度的基礎之下，還應該選擇使用經(jīng)濟性、實用效果，所以該水站在低水期或者水量調(diào)度時期中測點流速應該采用三點法來進行，應用的是0.6一點法完成測量。

3.3 浮子式水位計阻水對水位的影響

對于浮子式水位計阻水與懸桿入水對于流速所產(chǎn)生的較大影響，經(jīng)過2016、2017年的大水試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，通過浮子式水位計監(jiān)測的水位受豎井阻水以及進水孔容易被雜物堵塞，使浮子水位計監(jiān)測水位數(shù)據(jù)偏高，最大偏高0.30m以上，懸桿測流中的流速結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，因為懸桿入水結(jié)構(gòu)部分的天然場干擾影響比較小，并且其偏差在1.0%以下，為了能夠使得偏差有效的降低，對機床二廠監(jiān)測斷面采用高精度的雷達水位計，消除浮子式水位計由于壅水產(chǎn)生的水位偏差。

表2 不同測速方法誤差統(tǒng)計表

4.結(jié)語

水位流量數(shù)據(jù)是重要的基礎數(shù)據(jù)，應該在實踐中采用合理的措施以提升數(shù)據(jù)測量精度，本文以某水站為案例展開分析，確定測算精度最高的幾種措施，以更好的滿足水量數(shù)據(jù)的應用需要，促進我國水利領(lǐng)域的發(fā)展和進步。