流速仪法流量监测方案分析与确定

摘要：确定流量监测方案是规范水文测站正常开展流量测验的必要基础工作，亦是制定《测站任务书》中有关水文测验部分的主要技术条文。确定合理的流量监测方案，可保证单次流量测验精度，即保证单次流量测验误差不超过允许误差。本文采用崖口水文站1984年至2007年实测流量和实测水位测验成果资料，通过对多年径流量采用频率计算的方法，求得丰、平、枯水的相应典型年，进而求得典型年的相应水位。在此基础上，根据分析计算的宽深比和断面概化垂线流速分布形式参数，确定高、中、低水的流量监测方案。

关键词：典型年 宽深比 垂线流速分布形式参数 流量监测方案

Analysis and Determination of Flow Monitoring Scheme

by Velocity Instrument Method

LI Wei-hua

(Tangqin Hydrology and Water Resources Survey Bureau of

Hebei Province，Hebei，Tangshan 063000)

Abstract: Determination of flow monitoring scheme is the necessary basic work for the normal development of discharge measurement in hydrometric station specification and the main technical provisions for making survey station project description related to hydrologic part. Determining reasonable flow monitoring scheme can assure single time flow test precision.It can ensure that the single time flow test measurement error is no more than permissible error.This paper uses the method of frequency calculation runoff for ages, by dates of measured flow and measured water level test results in Yakou Hydrologic Station in 1984 to 2007 year. It obtains corresponding typical years, abundance、level and low water year, and then acquires corresponding water levels. On that basis we can ensure the flow monitoring scheme in tall、level and low water by breadth depth ratio and generalized vertical velocity distribution form parameters in sections.

Keywords: typical year; breadth depth ratio; vertical velocity distribution form parameters; flow monitoring scheme.

0引言

流量监测方案是指测站在日常水文测验中，依据高、中、低水分级控制次洪水流量过程的监测技术手段。采用流量监测方案测得的与某一水位级对应的瞬时流量，可消除因水位涨落变化急剧而导致的较大流量测验误差。因此对于我省山溪性河流的水文测站，制定流量监测方案尤为重要。下面以崖口水文站为例，仅对流速议法流量监测方案的分析和确定进行介绍。

1 崖口站概况

1.1设站情况

崖口水文站始建于1953年，原唐山专署水利局设立。1963年归属河北省水利厅。地处河北省唐山市丰润区火石营镇柴家湾子村，地理位置为东经118°17′00″， 北纬40°02′50″。位于潮白蓟运河流域蓟运河水系还乡河上游，集水面积199km2，设站高程为假定基面高程。测站管理类别为省级一般站，测站级别为小河站，流量测验精度为三类精度水文站。

1.2河流及流域情况

还乡河古称更水，又名巨梁河。发源于迁西县新集镇以南泉庄村。流经夹河、新庄子，在唐山市丰润区柴家湾子村以上纳入小草河，1984年在小草河上游建成跨流域引水工程（引滦入还）渠道入口。测站下游河道纳入牵马岭沟，五凤头纳铁厂小河，在偏峪进入邱庄水库。水库以下在七树庄纳沙河，往下进入玉田境内，于蛮子营东北纳沙流河，在北单庄东北流入宁河县境。东南流经李茂庄、张凤庄、于富利村南注入津唐运河，经阎庄汇注蓟运河。还乡河全长约200km，流域面积1386 km2。主河道长15km，河道纵坡5‰，流域平均宽度10km。流域上游植被一般，洪水时暴涨暴落，属于山溪性河流。

1.3测验河段及断面情况

测验河段顺直达300m，梯形河槽，两岸为石砌护坡。中高水时主槽宽分别为37m和47m。河床质为沙卵石，冲淤变化不大。引滦入还渠口置基上250m，与主河道右岸相接。基下110m处建有水泥桥一座。下游约500m左岸有牵马岭沟水流汇入。基下测验河段固有天然形成的弯道控制，因此水位～流量关系稳定，符合单一曲线法整编定线精度要求[1]，则该站历年均采用单一曲线法进行水文资料整编。

1.4测验设施情况

流量测验设施为电动单缆悬杆吊箱，1964年建成，位于基本水尺断面。左右岸主索跨度262m。设计最大测洪能力1500m3/s，实测最大流速3.41m/s， 最大水深4.67m，最大流量882m3/s，该站流速测验常年采用流速仪法；水位观测设施为直立木质水尺，人工观测水位，实测最高水位85.69m。

2 流速仪法流量监测方案分析与确定[2]

2.1水位级划分分析计算

水位级划分分析方法采用典型年法，分析资料系列采用该站1984年到2007年计24年的实测流量和水位资料，据此进行水位级划分。

2.1.1 统计计算汛期1984年至2007年（6～9月）径流量，并进行频率计算，计算成果见表1。

根据频率设计成果，分别选取与频率10%、50%、90%对应的汛期径流量的相应年份1993、2003、1987年，作为丰、平、枯水典型年。

2.1.2利用上述分析方法分别统计丰、平、枯三个典型年的汛期(6～9月)逐日平均水位，然后进行频率计算。分别选取与频率10%、50%、90%相对应的水位 81.40m、80.50m、80.30m作为高、中、低水位。依据高、中、低水位，该站水情特征划分如下4个时期：

高水期 ≥81.40m＞中水期≥80.50m＞低水期≥80.30m＞枯水期。

2.1.3水位分级合理性分析

统计三个典型年各水位期（高、中、低、枯水）出现的天数，统计结果为丰水年1993年高水期天数24天，平水2003年中水期65天，枯水1987年枯水期214天。其中丰水年高水期占近一个月左右，枯水期一个半月左右，其余时间为中、低水；平水年全年大部分时间为中、低水；枯水年没有出现高水，全年1/3的时间为中、低水，2/3时间为枯水，这反映了我省山区河流水量年际变化大，年内高水期短，中、低水期长的特点，所以水位分级是合理的。

2.2宽深比分析计算

根据该站在基本水尺断面实测的高、中、低水各次流量，统计相应的水面宽（ ）、平均水水深（ ），然后建立宽深比（ ～ ）关系图，见图2。

图2基本水尺断面 ～ 关系图

经分析计算得出各水位期 参数值，高水期 为：23.2～200；中水期 为：37.5～72；低水期 为：72～140。

2.3断面概化垂线流速分布形式参数 分析计算

根据该站高、中、低水次流量均在基本水尺断面施测，故此分别计算基本水尺断面高水期、中水期和低水期断面平均流速。

2.3.1高水期 关系计算

统计1993、1994年基本水尺断面一点法实测次流量相应水位（81.40～85.70m）和断面平均流速，见表2。

经统计计算得出实测断面平均流速均值 ＝1.30 m/s，据此数据查《河流流量测验规范》附表4.5， =0.153。

2.3.2中水期 关系计算

采用上述关系计算方法，统计1993、2003年基本水尺断面一点法实测次流量相应水位（80.50～81.40m）和断面平均流速。计算得出实测断面平均流速均值 ＝0.69m/s，据此数据查《河流流量测验规范》附表4.5， =0.184。

2.3.3低水期 关系计算

统计1987、2007年基本水尺断面一点法实测次流量相应水位（80.30～80.50m）和断面平均流速。计算得出实测断面平均流速均值 ＝0.23m/s，据此数据查《河流流量测验规范》附表4.5， =0.196。

2.4测流方案的确定

2.4.1高水期

据高水期宽深比23.2≤ ≤200 和断面概化垂线流速分布形式参数 =0.153，查《河流流量测验规范》附表4.11-1，选定高水期流量监测方案为：m=10，P=1，t=60，其单次流量的总随机不确定度X′Q＝4.6，系统误差UQ＝-0.8。

2.4.2中水期

据中水期宽深比37.5≤ ≤72 和断面概化垂线流速分布形式参数 =0.184，查《河流流量测验规范》附表4.11-3，选定中水期流量监测方案为：m=10，P=1，t=60，其单次流量的总随机不确定度X′Q＝6.1，系统误差UQ＝-2.5。

2.4.3低水期

据低水期宽深比72≤ ≤140 和断面概化垂线流速分布形式参数 =0.196，查《河流流量测验规范》附表4.11-6，选定低水期流量监测方案为：m=10，P=1，t=60，其单次流量的总随机不确定度X′Q＝7.7，系统误差UQ＝-3.0。

3结论

不同水位级流量监测方案的组合水文要素，主要包括施测单次流量的流速垂线数（m）、测速垂线测点数（p）和测速测点历时（t），简称m、p、t三要素。故此在分析和确定流量监测方案时，应区分山区和平原流域测站的河道洪水涨落变化特性，对于山溪性河流，洪水涨落变化相应急剧，则在选取三要素时，应考虑在保证总随机不确定度(X′Q)和系统误差（UQ）符合精度的基础上，在可选方案中偏重选取流速垂线数和测速垂线测点数少、测速测点历时短的流量监测方案，以缩短单次流量测验历时，进而达到一次测流的允许水位涨落差不大于平均水深的10%[2]的规范要求；对于平原和丘陵区洪水涨落相应较缓的河流，应选取流速垂线数和测速垂线测点数相对较多、测速测点历时较长的流量监测方案。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。