流速仪法测流在天山北坡多泥砂渠系的应用与分析

白西辉 何文权

(新疆金沟河流域管理处 沙湾 832100)

1 金沟河流域概况

金沟河流域位于新疆塔城地区沙湾县境内，地处天山山脉的北支依连哈比尔尕山北麓西侧，北望准噶尔盆地，东以玛纳斯河为邻，西与巴音沟河相伴，地理位置介于东径 85°23'～85°52'，北纬 44°11'～44°37'之间。流域面积2933km2，地势为东南向西北倾斜，坡降在1/1000～2/1000之间，海拔为:600～420m，地形比较平坦。金沟河为冰川融雪型河流，多年平均径流3.08亿m3，是北疆地区的典型山溪性河流。金沟河上游无控制性枢纽，河水受融雪及暴雨影响日流量变化大，河流流经之地基本上是第三系和第四系冲、洪积沉积物，植被差，大量泥沙随暴雨洪水进入河道，据有关资料显示，金沟河多年平均输沙总量在70万～80万t，平均每方水中就携带有2.5kg泥沙。

金沟河引水渠系采用费尔干式引水排砂枢纽设计，渠道采用现浇混凝土防渗，断面形式为梯形。金沟河渠首测流断面共有4处，其中引水总干渠设上干、下干及西干渠校测断面3个测流断面，其中上、下干断面使用均在10年以上，测流数据资料每年均进行系统整编。

2 金沟河水情变化特点

金沟河来水量主要受融雪及降雨影响，从全年分布看，可分为冬(春)枯水期、汛期、秋枯期阶段;根据日来水量变化特点，可以分为涨水阶段和落水阶段。冬、春枯水期为11月中旬至翌年5月上旬，期间水量基本保持平衡，约4～6m3/s。进入5月下旬，随着气温回升及气候变化，水量逐渐增长，6～8月为汛期，时间持续约两个月以上，汛期流量主要受暴雨、融雪影响，变化很大，最大洪峰流量曾达540m3/s(2003.7.17)，主汛期正常来水量在30～60m3/s之间。进入9月以后随着气温下降，河流来水量逐渐减少，从15～20m3/s减至10m3/s以内。

金沟河日水量变化受各时期水流速、流量及流程影响(暴雨型洪水除外)，涨落时间保持稳定规律。冬季河流水量在凌晨1点左右达峰值，上午11点左右回落，下午16时前后达到低谷。此后，随着气温回升，涨落水时间逐渐提前，至主汛期河流来水晚23时左右达到峰值，上午11时以后逐渐下降。

3 流速仪法测流在金沟河的应用

金沟河渠首引水总干渠引水量受河流来水和下游灌区需水影响，最大引水量在35m3/s左右，最小引水量在(可测水量)2m3/s左右。受季节及大河水量变化的影响，干渠水流量、流速等呈动态变化，同一断面相同水位在不同时段使用流速仪测流结果不尽相同。

3.1 金沟河引水总干渠测水断面实测流速流量特点分析

以金沟河一号下干测水断面为例，断面为梯形断面，水尺形式为边坡斜面水尺。从多年实测流量成果分析结果上可以得出以下规律:ⓐ全年看，同水位流速变化呈春冬两季慢、夏季快的特点;ⓑ从汛期日24小时段看，同水位流速变化呈上午快下午慢的特点;ⓒ从大河涨落水分析，同水位流速变化呈现涨水时段变快、落水时段减慢的特点。因此，金沟河引水干渠多年来在测配水中一直无标准完整流量对照曲线，一定程度上影响到了引配水工作的精密度。在使用流速仪法测流的过程中就需要更加精确地分析测流误差，提高测流精度。

3.2 金沟河引水总干渠测水断面流速仪法测流误差分析

金沟河引水总干渠测水断面采用梯形断面、边坡斜面水尺、人工观测水尺水位，流速仪法测流。测流中引起误差的原因主要有水尺观测误差影响、水深测量误差影响、测水时段误差影响、流速仪操作误差影响等。

3.2.1 水尺观测误差影响分析

水尺观测是流量测验最基本的一个环节，水尺水位观测的准确性直接关系到测流的精度。对其误差来源进行有效的分析，在工作中尽可能地减少水位误差的影响，对流量测验有着重要的意义。

通过实测环节的分析，引起观测误差的主要原因有以下4个方面:ⓐ观测人员视线与水面不平行;ⓑ水面波浪影响;ⓒ水尺附近有其他障碍物的阻水、壅水影响;ⓓ水位变幅较大，观测时间过短，读数缺乏代表性。

要减少水尺观测误差，需要对症下药。ⓐ观测水尺读数时，观测人员视线应尽量与水面平行，且正视水尺;ⓑ观测水尺前应及时清除水尺附近的障碍物;ⓒ水面风浪较大时避免实施观测，对正常波浪的影响要采取多次观测取值，读数时则应读记波浪的峰顶和谷底截于水尺上的两个读数，记取其平均值，或等到水面出现瞬时平静时，读其截于水尺上的一个读数，这样连续观测2～3次，取其均值;ⓓ做好观测水位和测点水深的比较。经过对总干渠3年的资料进行分析，发现有90%的边坡水位和最近的测点测得的水深相差1～2cm，如发现相差超过范围，就应再次认真观测，是否有读错的情况。

3.2.2 水深测量误差分析

金沟河干渠坡度较大，水流速大，受渠道走向及渠首平整度的影响，测流断面各测深点水位不尽相同，施测水深时造成的误差直接影响到流量结果。避免产生测深误差可采取以下办法:ⓐ合理布置测深点;ⓑ测杆使用时应避免抓握过紧，让其自然下垂，避免横向变位;ⓒ测量水深时要一快二慢，测杆探底时要垂直、快速，量水面时要稍慢，让测杆底与水面轻微接触，如果有波浪变幅，要经历2～3个波峰波谷，取其平均值。

3.2.3 测水时段误差影响分析

针对多年金沟河干渠测流结果的分析，不同测流时段同水位流速呈现变化规律，因此，在测流时机的选择上注重避免在不同时段水位上施测，做到:ⓐ避免在大河水量变化较快或调闸时间进行测流;ⓑ测流时间选择每日11～12时水量较为平稳的阶段;ⓒ测流时间控制在15～20min内完成，尽量缩短测流过程，减少流量变化影响。

3.2.4 流速仪法测流的误差来源及减少的办法

流速仪法测流的误差来源除人工水尺观测和水深测量、测流时段选择影响外，还有以下因素:ⓐ测点定位误差;ⓑ流向偏角导致误差;ⓒ紊流导致的误差;ⓓ流速仪轴线与流向不平行导致的误差;ⓔ停表计时的误差。

因此，在实际测流过程中要注重采取以下措施:ⓐ减少起点距误差，快速用测杆量取，在测量的过程中应尽量使测杆与测桥保持垂直，量2～3次，取平均值。或者用小石进行吊测，手尽量与测桥保持垂直，量2～3次，取平均值，严禁斜杆测量;ⓑ减少水深测量误差，当水面起伏较大时，对于稳定断面(或冲淤断面渠底较平整时)每条垂线的水深应连测两次，当两次测得的水深差值不超过最小水深值的2%时，取两次水深读数的平均值;超过时，应增加测次，取符合限差2%的两次测深结果的平均值;当多次测量达不到要求时，可取多次测深结果的平均值;ⓒ减少测点定位误差的方法:如测深杆底盘至安装仪器之间有固定距离，则测点深应加此固定距离，均从水面往下在现场推算。特别是在冲淤断面测流时，测量坡脚时应加减托盘的半径;ⓓ减少流向偏角导致的误差的方法:流速仪应平行于测点当时的流向，当采用固定测杆测流时，测杆一端应装有底盘，盘下应有尖头，以保持仪器的水平和水深观读正确;ⓔ减少停表计时误差的方法:定期对停表进行检查。具体办法为:拧紧发条嵌动头部表针开始走动，试验其运行、停止和归零情况，与24h误差小于0.5min带秒针的钟表校对10min，误差小于3s认为可使用。停表的起止应和响铃的起止相一致。

3.2.5 测流结果应及时进行校核、点绘和分析

在测流结束后，及时做好结果分析，对发现测流误差、提高测流精度有着重要作用。金沟河水文测验工作中强调“五随”制度。即随测、随算、随校核、随点绘、随分析。经多年实践经验总结，及时对测流成果进行校核、点绘和分析，可以保证原始资料的正确、可靠，及时发现测验工作中的问题、缺点和错误;随时查清实测流量的变化与有关水力因素或其他相关因素之间的因果关系，摸清测站特性，保证资料整理工作方法正确，并尽可能简化;探求精简测验工作量的可能性，合理地调整测验工作方案;提供在计算实测流量时正确选用各种系数的方法和数据。

3.3 常见问题分析

3.3.1 常见的问题

a.对于固定的常测断面，随着时间的推移，工程条件发生了改变，但测流时仍沿用以前的工程资料。如总干渠渠底宽度2011年比2010年增加了10cm，如果没有及时发现，会对测流面积产生较大的影响。

b.测流前后未对断面前后的工程情况、水流情况等进行认真观察，导致不能对测流成果进行科学地分析。

c.未观察水中有无大的漂浮物、杂草等，易出现仪器损坏及安全生产事故。如在2010年总干渠的测流中有水中电缆缠绕仪器的现象，由于测流人员多加之人员身体素质好，把住了测杆，虽造成测杆严重变形，幸好未发生安全生产事故。

d.在测流前没有对仪器进行完好性和灵敏性检查，由于仪器本身的原因(如桨头旋转不灵敏、仪器进沙等)影响了测流的精度。

e.由于对测流时间没有正确把握而影响测流精度。如正确测流时间应该是从测水边开始，到最后点流速测量完成时的时间，而在测流中常常会出现以计算完成时间为测流的结束时间，从而影响了流量测验的准确性。

3.3.2 解决办法

a.每年对坡脚、水尺等基本工程资料进行校核。每年在放水前应用铅锤对坡脚进行校核;用水准仪对边坡水尺进行校核，确保工程资料的准确性。

b.在测流前，应对断面前后的工程情况、水流情况、泥沙含量等进行初步判断并记录在案，为测流成果的科学分析提供依据。

c.测流的过程中应时刻观察水中是否有大的漂浮物，如树根等，还应注意是否有大量的草、纤维等易缠绕物质，以免损坏仪器或缠绕浆头。如出现上述情况，应立即拔出测杆停止测流，等漂浮物流过断面后再次重新进行测流。

d.测流前检查设备的完好性。主要检查流速仪(旋浆、身架、尾翼)部件是否齐全并在指定位置;检查悬桨式流速仪的附属设备是否齐全;检查仪器及附属设备的性能。

e.测流时应做到三同时，即测量水边的同时，看边坡水位，记录测流开始时间。最后一个测点流速测量完成的同时，看结束时的边坡水位，记录测结束时间。在测流的过程中经常会出现顾此失彼、估读、估计的现象。因此要解决此类问题，应该养成良好的工作习惯。

4 结语

流速仪法在新疆天山北坡多泥砂渠系的使用有着较为丰富的实测成果和经验支持，金沟河流域是北疆多泥砂河流的典型代表，流速仪法测流在金沟河流域的应用对做好流速仪法测流工作的研究和探讨，特别是对其在多泥砂渠系使用的问题进行分析和研究，对进一步提高流速仪法测流使用技术、提高流速仪的技术参数标准、保证缺水地区水量测验的精度有着十分重要的意义。■