淺析流速儀法測(cè)流與浮標(biāo)法測(cè)流的區(qū)別

鐘金鳴

（河北省承德水文勘測(cè)研究中心,河北 承德 067000）

1 前言

流量的變化是很復(fù)雜的,為了研究和探求河流流量的變化規(guī)律,必須進(jìn)行長(zhǎng)期的、連續(xù)的流量測(cè)驗(yàn)。但現(xiàn)行的測(cè)流方法,一般工作量大,不可能無限制增加測(cè)次來獲得大量的流量資料。因此,可以通過一定數(shù)量測(cè)次的流量資料與水位或其他水力要素建立相關(guān)關(guān)系來探求其變化規(guī)律,以便用水位或其它水力要素的資料來推算逐日流量。本文討論兩種測(cè)流方法在一次典型流量測(cè)量過程中的表現(xiàn)。

2 測(cè)站概況

藍(lán)旗營(yíng)水文站始建于1959 年5 月,位于河北省興隆縣古兒石村,為撒河下游控制站,系迎風(fēng)山區(qū)代表站,集水面積646 km2,高程采用假定基面高程。測(cè)站類別為基本站,為省級(jí)重要站。測(cè)驗(yàn)河段位于古兒石村東南約500 m,具體位置見圖1。

圖1 藍(lán)旗營(yíng)水文站位置圖

該測(cè)站河槽為復(fù)式河槽,兩岸為風(fēng)化巖石陡山,順直河段長(zhǎng)約250 m?；?10 m有一急灘,形成中、低水控制,下游約1000 m處為彎道狹口,形成高水控制。上游200 m有一山洪溝匯入,上游約500 m處有季節(jié)性河流自左岸匯入,中水時(shí)漫灘寬約50 m,水流分散,有橫比降。河床由沙壤土、砂卵石組成,河床基本穩(wěn)定,斷面沖淤變化不大,水位流量關(guān)系穩(wěn)定,枯水時(shí)青苔、水草叢生,影響低水測(cè)驗(yàn)。藍(lán)旗營(yíng)（二）站測(cè)驗(yàn)河段平面圖見圖2。

圖2 藍(lán)旗營(yíng)（二）站測(cè)驗(yàn)河段平面圖

3 流速儀法測(cè)流

流速儀法測(cè)流是流速面積法的一種,是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的方法,也是最基本的測(cè)流方法。評(píng)定各種測(cè)流新方法的精度,仍是以它作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)。近年來,盡管測(cè)流新技術(shù)得到迅速的發(fā)展,但在今后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),還不可能完全取代流速儀法測(cè)流。下面著重介紹流速儀法測(cè)流原理。

式中：h代表水深；B代表水面寬,橫斷面上的流速分布可用函數(shù)v=f（h,B）表示,上式表示全斷面的流量。

式（1）所計(jì)算得到的流量,相當(dāng)于流量模型的總體積。實(shí)際計(jì)算中由于v=f（h,B）的計(jì)算很復(fù)雜一般把積分的形式變成有限差的形式推算流量,用若干個(gè)垂直于橫斷面的平面,將流量模型切成n塊體積,每一塊體積即為部分流量q,只要在各測(cè)速垂線上測(cè)深、測(cè)速,就可以求得q,則全斷面Q可求,即為q的代數(shù)和。即：

式中：qi為第i部分的部分流量,m3/s。

式（2）為流速儀法測(cè)流所使用的基本公式。實(shí)際測(cè)流時(shí)不可能將部分面積分成無限多,而是分成有限個(gè)部分,所以實(shí)際測(cè)流只是逼近真實(shí)值；現(xiàn)行方法在河道上測(cè)流時(shí)所需要的時(shí)間較長(zhǎng),不能瞬間完成,因此實(shí)測(cè)流量是時(shí)段的平均值。

通過上面的分析可知測(cè)流工作由測(cè)量橫斷面及流速兩部分工作組成。即通過實(shí)測(cè)斷面上的流速和水道斷面積來確定流量的方法。實(shí)際測(cè)流中一般采用流速儀法,以《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）為主要依據(jù)進(jìn)行測(cè)流[1]。

藍(lán)旗營(yíng)站某次典型洪水過程流速儀法測(cè)驗(yàn)結(jié)果見表1,表中第一、二條垂線采用水面測(cè)流法,故流速系數(shù)取0.85。其余均采用一點(diǎn)法0.6,流速系數(shù)均取1。岸邊系數(shù)取0.70。測(cè)流時(shí)相應(yīng)水位4.68 m,采用吊箱法渡河,測(cè)深方法：桿測(cè),流速儀懸吊方式：懸桿。經(jīng)計(jì)算流量為101 m3/s。

表1 藍(lán)旗營(yíng)水文站流量實(shí)測(cè)成果表

4 浮標(biāo)法測(cè)流

浮標(biāo)法測(cè)流是一種簡(jiǎn)便有效的測(cè)流方法。實(shí)踐中廣大水文工作者創(chuàng)造性地使用許多浮標(biāo)投擲的簡(jiǎn)易可行的設(shè)備,在較大洪水或水面漂浮物多的時(shí)候,浮標(biāo)法為重要的、可行的方法之一,尤其在流速儀法無法完成時(shí)更為顯著。

浮標(biāo)法測(cè)流的基本原理如下：

上述流速儀法測(cè)流已經(jīng)指明通過全斷面的流量可以表示為式（1）所示形式,而垂線平均流速vm為：

式中：Qf為最大流量vmax計(jì)算出來的流量,也稱虛流量。

根據(jù)式（4）可知,斷面虛流量比斷面流量要大,它們之間的關(guān)系可以表示為：

式中;Kf為浮標(biāo)系數(shù)。

常用的浮標(biāo)法測(cè)流分為小浮標(biāo)法、均勻浮標(biāo)法和中泓浮標(biāo)法,小浮標(biāo)法適用于水深低于0.16 m時(shí)使用,使用范圍較局限。而一般在均勻浮標(biāo)無法使用時(shí)會(huì)使用中泓浮標(biāo)。使用浮標(biāo)法時(shí)無法回避浮標(biāo)系數(shù)的取值問題,該系數(shù)與河床組成、斷面控制、風(fēng)速、風(fēng)向和浮標(biāo)材質(zhì)等有著密切的關(guān)系,一般測(cè)站會(huì)積累同時(shí)使用流速儀法和浮標(biāo)法對(duì)比施測(cè)的流量資料,經(jīng)過分析提出適合本站的浮標(biāo)系數(shù)[2]。本站中泓浮標(biāo)系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值0.75。上述流速儀法測(cè)流的降水過程中,在24 日凌晨開始洪水猛漲,21 時(shí)45 分出現(xiàn)最高洪水位,洪峰過程為單峰型。該站在基本斷面水位1.0 m以下采用流速儀法測(cè)流,有實(shí)測(cè)過水?dāng)嗝?1.0 m以上均采用中泓浮標(biāo)法。洪峰流量借用汛前（5 月1 日）實(shí)測(cè)大斷面計(jì)算為130 m3/s。流量資料整編時(shí)采用臨時(shí)曲線法,水位流量關(guān)系曲線依據(jù)峰前、后的兩斷面關(guān)系,中間作相切直接過渡的方法處理,即認(rèn)為沖刷主要發(fā)生在漲水過程,至峰頂時(shí)斷面沖刷最大,峰后不再?zèng)_刷。這樣所定水位流量關(guān)系曲線在峰頂處發(fā)生不合理的突然轉(zhuǎn)折,結(jié)果使洪峰流量變?yōu)?80 m3/s,與借用汛前大斷面計(jì)算的峰值相差38.4%?？梢?對(duì)受普遍性沖淤的河道采用中泓浮標(biāo)法推流,關(guān)鍵就是對(duì)斷面的沖淤過程進(jìn)行分析,準(zhǔn)確地定出相應(yīng)水位的過水?dāng)嗝婷娣e[3]。

5 流速儀法測(cè)流與浮標(biāo)法測(cè)流的對(duì)比

根據(jù)最新的《藍(lán)旗營(yíng)站洪水測(cè)報(bào)方案》可知：測(cè)流方案的選擇應(yīng)遵循以下原則：首選流速儀法,其次是雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng),最后是浮標(biāo)法、比降面積法。流速儀法和浮標(biāo)法銜接部分視水勢(shì)情況測(cè)流方案。

流量測(cè)驗(yàn)的測(cè)速垂線m、測(cè)速垂線次點(diǎn)數(shù)p、測(cè)速歷時(shí)t和流速系數(shù)的選用,按任務(wù)書中流量測(cè)驗(yàn)方案執(zhí)行。

（1）水位：4.10 m（對(duì)應(yīng)流量：10.0 m3/s）以下,涉水施測(cè),即流速儀法；

（2）水位：4.10 m～6.40 m（對(duì)應(yīng)流量：10.0 m3/s～800 m3/s）用雷達(dá)波測(cè)流系統(tǒng)施測(cè)；

（3）水位：6.40 m（對(duì)應(yīng)流量：800 m3/s）以上用浮標(biāo)施測(cè)；

（4）特大洪峰采用天然浮標(biāo)測(cè)速,水準(zhǔn)儀或刻洪痕記錄水位或比降面積法施測(cè)。

流速儀法測(cè)流作為最基本的測(cè)流方法有著穩(wěn)定、可靠的測(cè)流結(jié)果。其它測(cè)流方法要以此法作為評(píng)定標(biāo)桿以及衡量的標(biāo)準(zhǔn),在今后以及較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具有浮標(biāo)法所不能替代的一面。浮標(biāo)法測(cè)流是流量測(cè)驗(yàn)的一種重要形式,適合于山溪性河流和漂浮物多、暴漲暴落的洪水測(cè)驗(yàn)。較之流速儀法,浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)具有選材容易、造價(jià)低、投放速度快、易操作、易成活、穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)流速度快、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)[4]。

6 結(jié)語

通過對(duì)流速儀法和浮標(biāo)法測(cè)流原理的研究對(duì)比可知二者各有優(yōu)勢(shì),都是在長(zhǎng)期的水文實(shí)踐中不斷探索改進(jìn)的方法,具體采用哪種方法測(cè)流還需要我們依據(jù)具體的實(shí)際情況來定。有時(shí)又需要二者配合使用才能使得流量計(jì)算更加精準(zhǔn)?？傊?選用恰當(dāng)?shù)臏y(cè)流方法不但使測(cè)流結(jié)果更加準(zhǔn)確,而且還能為水文工作者的工作提供便利。