水文测验中误差问题的思考

欧凌翟

摘要：介绍了国际国内计量界统一的并且可操作的定义和基本概念,指出了在水文水资源测量中关于误差分析和应用所存在的问题,提出了解决的办法,以便与广大水文测验工作者共同探讨。

关键词：水文测验；误差；定义；不确定度

水文测验中,一切有关物理量的测量,都含有一定的误差。为了获得较高精度的水文资料,必须对测量误差有所认识。本文拟就测量误差的来源、分类、性质和分布等间题作一介绍。测量误差的来源、要研究测量误差,首先要分析误差的来源及减弱这些误差的方法。

1 水位观测的误差分析及解决方案

⑴由于回流、雍水、风浪引起的误差。⑵水尺直接读取时的认为误差。减弱前一种误差的方法:①对测验河段进行现场调查和勘测,安置水尺应避免回水、泡漩、跌水及漂浮物等造成的误差影响；②水尺桩制做成流线形或菱形,减小急流对水尺桩冲击,减弱雍水和晃动所产生的误差；③水尺应不直接受风浪影响。减弱后一种误差的方法:①观测水位时,身体应蹲下,使视线尽可能接近水面,以便减弱视觉误差的影响；②当有风浪观测时,应取大于3次波峰和波谷读数的平均值作为水位观测值；③水位一般读至厘米,当相邻水位站上下水位比降小于0.2m时应读至毫米；④水位观测人员在观测及记录中要保持高度的责任心。

2 流量测验的误差分析及解决方法

测流有两种方法,一种是常规流速仪测流,另一种为走航式声学多普勒剖面流速仪(简称ADCP)测流。两种方法的测流原理均为采用水流面积—流速方法Q=AV计算断面流量,即将测流断面分成若干个垂直于横断面或平行于水面的平面,水流在一定时间内以不同的平均流速通过这些平面的部分流量代数总和为断面流量,其公式为:Q==⑤47。两者不同的是:相对于同一水深单元来说,常规流速仪测量剖面某一水深单元上某一点的流速流向,流速流向测验是点,是静态的,而ADCP所测的是一个水深单元的平均流速流向③18,是一个面,是动态的。

流量测验的误差来源包括系统误差和随机误差,既有直接的也有间接的,既有仪器和测量条件引起的误差,也有人为观测和数据处理的误差。

采用常规流速仪测流的误差来源包括6个主要方面:⑴垂线各层测点有限测速历时不足导致流速脉动影响的测速误差；⑵常规流速仪检定误差,即流速仪性能影响带来的误差⑥45；⑶测流断面布设的垂线数目不足导致的误差；⑷由测速垂线测点数目不足导致的垂线平均流速计算误差；⑸断面面积计测误差,其影响因素包括:水位观测、断面测量、河床变化等引起的误差；⑹因垂线各层次观测时间不同导致推算同时刻流速流向的误差；⑺水流紊流和回流影响。以上几项误差既包含系统误差又包括偶然误差。其解决办法为:①选择测流断面前应充分收集详细的测区水深地形图资料,并进行现场踏勘,选择顺直、稳定、水流集中、没有水草、无回流紊流、不易冲淤及便于观测和设施布设的河段；②根据水位涨落情、气候及水流变化情况等来延长测速历时来减弱流速脉动影响。③不管是普通流速仪还是超声波流速仪,在出厂前都要进行检定,并增加分级流速、不同水流和输沙特性条件下的检定,应根据垂线的最大流速和仪器测速范围来选择适当的测流仪器。③测流方法分为精测法、常测法和简测法,相对于精测法来说,常测法的测流误差较大,简测法的测流误差最大。④影响断面面积的因素很多,水位观测、断面测量、水位比降观测误差及河床变化因素等均会影响用于流量计算的断面面积。⑤根据水位涨落、河岸冲淤、死水、回流等情况及时调整或补充测速垂线；⑥流速流向观测过程同时进行断面水深测量和水位河心比降测量,以便准确掌握河心比降和河床冲淤情况；⑦为了克服流速脉动对测速精度的影响,测点的历时一般不小于100秒,流速变率受潮水影响较大的河段也不应少于50秒；⑧紊流是首先影响水流因子测量精度的介质本性,流速的紊流脉动速度和方向是不断变化的,其规律为从水面到水底逐渐增强⑥73,因而,增加测量历时可有效减弱水流紊流对流量测量精度的影响；⑨由于垂线各层次观测时间不一致,为了计算垂向平均值,需先绘制各层实测流速流向过程曲线,然后根据过程曲线推求出各测点同一时刻的流速流向④6,为减弱测流跳变点对过程曲线的影响,需对突变点进行修匀,减小因整点流速流向误差对流量的影响。

ADCP走航式测流的包括相对流速、船速、水深和测船航行轨迹等要素。其流量基本公式: (Qt—总流量,m3/s；—平均流速向量,m/s；n—ds全部测点法线方向的单位向量；ds—微元面积,m。)③50。受换能器吃水深度、盲区、旁瓣等因素的影响,ADCP剖面是不完全的。影响ADCP走航流量测验精度因素有许多,主要有以下因素:⑴ADCP流速测验误差；⑵ADCP水深测验误差；⑶测船横渡速度和测船的不稳定移动误差(由底跟踪或RTK—GPS引起的误差)；⑷ADCP测验起点和终点至岸边距离测验误差；⑸船速与流速的比值过大引起的误差；⑹非实测区流量外延估算误差；⑺河流断面面积测验误差；⑻水流环境和磁场引起的误差；⑼操作者人为因素引起的误差。以上误差既包含随机误差,也包括系统误差。如何减弱这些误差的影响,提高走航式ADCP流量测验的精度,是当前研究的重点。主要采取以下措施加以解决:①根据测验区水流环境选择适当的宽带ADCP仪器,为了减弱误释的影响,应采用多次数据平均时；②出厂前应进行波束角试验和率定③31；③使用适当的外接设备,如RTK—GPS,电罗经和精密回声测深仪,并利用声速剖面仪进行声速测定；④流量施测前进行河床推移质底跟踪实验,并使用RTK进行航迹航速跟踪测定,消除高含沙量水体及动床对底跟踪；⑤使用先进的HYPACK软件实时导航定位,ADCP数据采集采用Transect软件,准确记录ADCP起点和终点的位置,并将RTK、电罗经和测深仪数据存入ADCP原始数据中；⑥根据具体的水流环境设定适当的参数；⑦充分利用垂线流速分布资料、测流断面形状、岸边流速系数资料和1/6指数曲线进行非测区流速流量估算；⑧采用多次断面流量测验的平均值作为实测流量值,并进行重复性精度和流速仪流量比测精度测定。

3 悬移质泥沙测验的误差来源及解决方法

悬移质泥沙测验的内容包括悬移质的数量和颗粒级配分析。悬移质泥沙测验的目的在于测得通过河流测验断面的悬移质输沙率及变化过程②121,主要是利用输沙率与其他水文要素建立相关关系,由其他水文要素变化过程资料,通过相关关系求取输沙率变化过程。断面输沙率计算公式为:②141(以上式中:Qs—断面输沙率,kg/s；Csm1、Csm2、⋯、Csmn—各取样垂线的垂线平均含沙量,kg/m3；q0、q1、⋯、qn—部分流量,m3/s)；断面平均含沙量计算公式为:=(—断面平均含沙量,kg/m3；Q—断面流量,m3/s)。悬移质泥沙测验的误差包括随机误差和系统误差,主要来源于泥沙测验仪器、水样处理方法、泥沙脉动、垂线泥沙取样方法、断面测沙垂线数目多少以及断面流量测验误差等。其减弱泥沙测验误差的办法主要有:①为了减小仪器误差的影响,选择仪器时应选择管嘴积沙、器壁粘沙少及无突然灌注现象的仪器,采用自记式同位素测沙仪测验前应进行率定试验。②水样处理时应采用光电浊度仪和烘干称重相结合,光电浊度仪未能测定的水样采用烘干称重法测定,光电测沙仪测量误差<1%,称重在1/万天平上进行,烘干称重法应反复进行2～3次,使其误差在0.5mg之内,取其平均值。③泥沙测验和测流应在同一测线垂线,观测时间、观测层次与测流观测相同。④为减弱泥沙脉动的影响,最好使用积时式采样器采样,使用瞬时式采样器采集的水样应采用垂线混合法分析。⑤测沙垂线取样点应选在有代表性的位置上,根据水深具体情况选定取样点数,并逐点测取水样,按加权原理计算垂线平均含沙量。⑥根据测沙断面来选择垂线数目,垂线数应足够,垂线位置应大致均匀,中泓密,两边疏,以便能控制断面含沙量变化。⑦对减弱断面流量间接引起误差的方法,我们在前面已进行了介绍,不在累述。

4 结束语

本文通过各水文要素资料的采集、计算、整编等过程中的系统误差和偶然误差进行详细分析,并就影响各水文要素的误差提出具体的解决办法.

参考文献

[1] 邓英春，关于水文测验中误差问题的思考[J]水利技术监督，2005.01

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。