黄河潼关站流量测验误差来源及控制

孙文娟，和哓应，郭 强，窦 敏，张 楠，李海霞

（黄委三门峡库区水文水资源局，河南 三门峡 472000）

潼关站一般水流条件下采用流速仪法施测流量，仅在特殊情况下，改用浮标法测流。采用流速——面积法施测流量时，流量测验误差由水道断面测量和流速测验2大部分组成。影响测验精度的因素概括起来有3方面：1）测验方法和仪器因素。包括各种测验仪器的精密度、准确度以及仪器设备入水部分阻水引起的水流结构变化等；2）测验过程中的人为因素。如操作技术的熟练程度，规范执行情况，现场测验垂线布设位置、测船定位等；3）自然因素。如水位涨落、河床冲淤变化等。

1 水道断面测量误差的来源及控制

水道断面测量的误差来源于测深垂线布设数目、水深测量和水面宽测量。

1.1 测深垂线布设

从误差传递角度讲，水深测量误差将传递给水道面积，进而传递给流量。当断面平均流速一定时，面积的相对误差将引起流量等量的相对误差。为了测得精确的断面资料，就必须保证有足够多的垂线数目来控制河床变化的转折点。GB 50179—93《河流流量测验规范》（以下简称《规范》）没有对测深数目作出要求。《水文测验手册》（以下简称《手册》）要求测深垂线数目的精简根据由精密测深资料进行，精密测深资料的垂线数一般不少于精测法测速垂线数目的2倍。

根据《手册》有关的技术要求，潼关站在2004年进行了19次精密测深误差试验。对该资料进行精简分析，精简后保持不同测深垂线数目的相对平均误差和相对标准差见表1。

表1 测深垂线精简误差统计表

从表1计算结果看，面积的测验精度随着测深垂线数目的增多而提高，垂线数目增加到25条时，相对标准差可控制在2.0%以内；不同测速垂线数目的面积计算结果系统偏小，当垂线数目增加到20条时，相对平均误差可控制在1.0%以内。试验结果表明，增加测深垂线数目，简而易行，能有效地提高面积测验精度。潼关站在实施流量测验时，采用测深与测速垂线相间布设的方法，推荐潼关站测深垂线布设数目在高、中、低水应分别不少于34，30，26条，且垂线易均匀分布，主槽较滩地稍密。

1.2 水深测量

潼关站水深测量采用测深杆。影响测深精度的因素有测深杆的弯曲程度、杆底接触河底时的倾斜情况以及水面起伏和杆底入泥深度、标尺刻画精度与测验人员的操作技能、熟练程度等。这些因素直接影响读数精度，为了消除误差，测深杆的制作精度要满足《规范》要求，一般重复测深2次以上，严格执行操作规范。

采用测深杆测深方法导致的测验误差，根据潼关站2004年45条测深垂线比测，计算测深的相对标准差1.4%，相对平均误差0.24%。由此可知，潼关站采用测深杆测深的精度满足《规范》规定的要求。

1.3 水面宽测量

潼关站水面宽测量采用标志索直接观读，误差来源于断面标志索的伸缩与垂度变化。为了消除误差，潼关站每年汛前都对标志索的垂度进行改正，并用全站仪对标志索进行检验。为了探索采用标志索测宽给面积测验带来的误差，2004年潼关站用全站仪对标志索进行检验，共比测148条垂线，计算测宽随机不确定度为2.0%，系统不确定度为0.12%。由此可知，潼关站采用标志索测宽的测验精度满足《规范》规定的要求。

引起面积测量误差除上述因素外，洪水期水位涨落率大以及河床冲淤变化剧烈，测流历时将对面积引起误差，此时应尽可能缩短测流历时；在实施作业时测船定位不准也将对面积引起误差。

2 流速测验的误差来源及控制

潼关站采用过河缆吊船横渡测验流速，船的前甲板左侧分别安装水文绞车和悬杆升降架各1套。采用悬杆、悬索2架流速仪同步测流，或采用1架流速仪单独施测。影响测验精度的因素有测点流速脉动误差，垂线测点流速测验方法，测速垂线布设数目，测船阻水和悬杆入水对流速的影响和流速仪测点定位不准等。

2.1 测点流速脉动误差

张海敏等人在《黄河中下游流量测验总误差的实验研究》中，利用华县等水文站的测点流速脉动试验资料，分析了测点流速脉动误差，认为：1）测点流速脉动误差，随测速历时的增加而减小；2）各相对水深处不同测速历时的误差数值，同其他流域的试验结果相近。除水面外，其余各点的测速历时只要大于80 s，其相对标准差均在3%以下；3）不同测速历时脉动误差的相对标准差，都符合上下大、中间小的趋势。历时愈短，差异愈明显。当测速历时增至200 s时，已无明显差异[1]。

参考以上研究成果，认为潼关站常测法流速测速历时选择100 s是合适的，特殊水情采用一点法测速时，易选用0.6或0.5一点法，测速历时应选择在80～30 s之间，此时要适当增加测速、测深垂线，以减少测点流速测验误差和流速脉动误差对流量测验总误差的影响。洪水期间水位涨落率大，靠增加测速历时提高测验精度是不可取的，增加测速历时，必然会延长测流历时，导致相应水位采用近似计算法给流量测验带来更大误差。

2.2 垂线测点流速测验

根据潼关站2004年试验的37条11点法垂线资料，对流速测点进行精简分析。分别计算水面一点法、相对水深0.2，0.5，0.6一点法、相对水深0.2，0.8 两点法、相对水深 0.2，0.6，0.8 三点法的流速相对平均误差和相对标准差（见表2）。

表2 测速垂线不同测速方法系数及误差统计表

从表2的计算结果看，潼关站采用三点法测速的测验精度最高，为最佳测速方案，其次为两点法，2种方法的测验精度均满足《规范》要求；一点法测速误差均超过《规范》要求，一般不宜采用；一点法测速方案中，0.6一点法测速精度最高，其次为0.5一点法。测流方案优化在满足流量测验精度的前提下，应经济、实用，推荐潼关站在低水期或水量调度的关键期测点流速采用三点法施测，简测法采用0.6一点法施测。

2.3 测速垂线布设

为了探讨不同测速垂线数目导致的流量测验误差，2004年潼关站进行了17次多线法流量误差试验。根据《规范》规定的有关技术要求，在进行测速垂线精简分析时，根据断面形状和流速横向分布，确定对流量精度影响较大的垂线作为保留垂线，按均匀抽取的原则，分别计算垂线精简后保留不同垂线数目的系统误差和相对标准差，结果见表3。

表3 测速垂线精简误差统计表

从表3计算的结果看，流量测验精度随着测速垂线数目的增多而提高；测速垂线精减后，不同测速垂线数的流量计算结果系统偏小；当垂线数增加到30条时，再增加测速垂线，误差减小很小。要使测验误差控制在《规范》规定的允许范围，潼关站采用等部分流量法测算流量时，最少需布设13条以上的测速垂线。试验结果表明，增加测速垂线能有效地提高流量测验精度，推荐潼关站高、中、低水测速垂线数目分别不少于17，15，13条，并且垂线易均匀分布，主槽较滩地稍密。

2.4 测船阻水和悬杆入水对流速的影响

关于测船阻水和悬杆入水对流速的影响，潼关站在1982，1983年汛期进行过试验，从试验结果看，用悬索悬吊流速仪测速时，《手册》规定的距离船边的水平距离不能少于1.0 m是适度的，只要在测船很小，可能影响船只的平衡和安全时，才允许减少至0.5 m；悬杆测流的流速精度试验表明，由于悬杆入水部分对天然流场的干扰导致流速系统偏小，且悬杆测流的相对标准差随流速增大而增大，但均不超过1%。为减小测验误差，仪器与悬杆的连接部位应精密制作。

2.5 流速仪测点定位带来的误差

流速仪测点定位带来的误差，尤其在水面起伏较大时施测水面及0.2相对水深处及水深较小时施测河底一点流速时，受水流或流速仪安装条件的限制，流速仪不能正确置于预计点位，给流速带来误差。为了消除误差，可选择0.6一点法测速。

洪水期水草多，水草缠绕流速仪旋浆也是导致流速测验误差的原因之一，此时应密切注视流速仪信号的连续性及均匀性；洪水期流速大，铅鱼悬索偏角和流向偏角将导致流速测验误差，此时应及时进行悬索偏角改正和施测流向偏角。

3 结语

1）潼关站流量测验误差随着测深、测速垂线数目的增多而减小。采用等部分流量法测算流量时，最少需布设13条以上的测速垂线。试验结果表明，增加测深、测速垂线数目，能有效地提高流量测验精度。推荐潼关站高、中、低水测速垂线数目分别不少于17，15，13条，采用测深与测速垂线相间的方法布设测深垂线时，测深垂线数目按测速数目的2倍布设。

2）潼关站常测法流速测点测验方案采用0.2，0.6，0.8三点法测验精度最高，其次为0.2，0.8两点法。推荐潼关站在低水期或水量调度的关键期采用三点法方案测速；一点法测速方案中，0.6一点法测速精度最高，推荐潼关站简测法采用0.6一点法方案测速，此时测速垂线数目比常测法增加2～3条。

3）潼关站采用测深杆测深的相对标准差1.4%，相对平均误差0.24%；采用标志索测宽的随机不确定度为2.0%，系统不确定度为0.12%。

4）潼关站测船阻水和悬杆入水对流速的影响，从试验结果看，用悬索悬吊流速仪测速时，《手册》规定的距离船边的水平距离不能少于1.0 m是适度的；悬杆入水部分对天然流场的干扰导致流速系统偏小，相对标准差随流速增大而增大，但均不超过1%。

［1］张海敏，等.黄河中下游流量测验总误差的实验研究［M］.水文测验误差研究文集，1987.