辽东山区浮标法测流精度控制要点分析

王曙光

（辽宁省抚顺水文局，辽宁 抚顺 113015）

1 概 况

1.1 区域洪水特点

抚顺市位于辽宁东部，属长白山系龙岗山脉，全市平均海拔400～500 m，地势由海拔1347 m的钢山向西部渐次降低，最低处为经济开发区的沈抚新城，海拔仅为66 m。山多林多，是抚顺地貌的主要特征，全市山洪灾害中、高易发区面积超过总土地面积的70%，俗称“八山一水半分田，半分道路和庄园”[1]。

独特的自然地理条件决定了抚顺市是一个暴雨洪水多发的地区。境内山体沟壑纵横，河流溪谷众多。由于河谷相对狭窄，河道比降落差大，因此暴雨山洪来势迅猛，冲击力极大，每次大洪水都给当地带来巨大的经济损失。据相关资料粗略统计，暴雨洪水过程总历时一般为3～7 d，涨峰历时在24 h以内，峰顶停留时间在10～30 min左右，落水时间则稍长。总体特点是：涨峰历时短、峰量大，来势急、去势慢，涨水阶段裹挟物多，破坏力甚强[2]。

1.2 浮标法测流应用情况

基于山区性洪水的特点，峰现停留时间短，洪水裹挟物多，利用流速仪法进行洪水流量的测验存在诸多短板，比如流速仪被水草缠绕无法及时清理、流速仪被撞击损坏等。因此，利用浮标法进行涨洪阶段洪水流量、尤其峰顶流量的测验是该地区水文测验工作中较为普遍的做法，从实际应用效果看也是综合效率最优的选择。以北口前水文站为例，自上世纪1960年以来，该站发生了13次较大的洪水过程，分别发生于1960，1964，1971，1975，1985，1986，1993，1994，1995，2001，2005，2010，2013年。在这13次大洪水过程中，利用中泓浮标法进行了9次洪峰流量的测验，施测的最高峰值为5910 m3/s。在利用流速仪法施测洪峰流量的4次洪水过程均发生于1994年以前，施测的最高峰值为1350 m3/s。存在这一现象的主要原因是：北口前水文站1994年以前的主要测验方式是船测，这一方式可以最大限度发挥流速仪法的优势，人可以近距离操控流速仪，及时排除水草缠绕等故障，只要测船无危险即可以进行流速仪法测验。但当河道流量过高时，测船则存在危险，因此1994年以前的流速仪法施测的最高流量都在1500 m3/s以下。1995年以后，北口前水文站建立了缆道测流装置，测验能力大大提高，但由于前述原因，高水流量尤其是峰顶流量均采用了浮标法进行测验。另外，从横向来看，2010年大洪水过程中，全市5个水文站，有4个水文站是利用浮标法施测的洪峰流量，只有处于大伙房水库下游的抚顺站采用桥测法完成的峰顶流量测验。

从上述分析数据看，浮标测流法在该地区的水文测验工作中发挥着不可替代的重要作用，提高其测验精度是保证流量测验成果准确性的关键之一。

2 存在的问题

浮标法测流虽然作用甚大，但在浮标介质、浮标系数以及投放方式等的选择上存在较大的冗余度，因此，浮标法测流的精度控制较流速仪法更难于把握。主要体现在以下几方面：

1）在浮标介质的选择方面，按照相关手册介绍，浮标介质可采用麦秸、稻草、木棒、竹筒等，其形状可做成柱形、十字、井字等，在现今的实践运用过程中，还有采用塑料瓶、泡沫等作为浮标介质的。浮标法测流的一个基本理论依据是利用浮标介质的运动速度替代水体的流速。而浮标介质在水体中的运动速度是由介质在水中产生的浮力以及介质表面与水体的摩擦力的大小决定的，也就是和介质的体积、密度、形状、表面结构等相关的。不同材质和制式的浮标介质在相同的水体流速条件下，其运动速度存在着或多或少的差异，而在实际测验过程中这种差异往往被忽略[3]。

2）在浮标系数（包括断面浮标系数、中泓浮标系数等）的选择上，按照相关规定应首选本站经过实测资料比对分析出来的系数，在无比对试验的情况下才可以选择经验系数，并且对经验系数的选择应在一定的客观条件分析的基础上进行合理选用[4]。但在一些实际操作过程中，往往忽视浮标系数的比测分析工作，对测站地理环境、特性条件等不予深入分析，将经验系数当作通行惯例而屡加采用，由于经验系数的取值是限定在一定范围内的，这种取值浮动就造成了流量成果的随意性增大，精度与可靠程度也就相应降低了。

3）投放浮标的方式对测流结果也有影响。现在通常的浮标投放方式有缆道投放、人工抛投、浮标发射器等等[5]。浮标通过测流断面的位置决定着断面流速的分布是否合理。全断面浮标法要求投放的浮标应均匀间隔分布于全断面，而中泓浮标法则要求浮标位置控制在水流的中泓区域。因此，正确选择浮标投放位置是保证测流精度的一个重要前提。而在上述三种投放方式中，人工抛投、浮标发射器投放两种方式投入成本低，但受人为影响因素比较大，浮标投放的位置精度相对较低；而缆道投放装置虽然投入成本高，但投放位置容易把控，且可以实现连续投放，与前述两种投放方式相比较其成效是显而易见的。

3 测流精度控制要点

浮标法测流精度的控制要点与其存在问题环节一一对应，解决好不易掌控环节的难点即是掌握了提高浮标法测流精度的控制要点。针对上述提出的问题，将提高浮标法测流精度的措施主要归结为以下三点：

1）浮标标志物的选材与制作型式要统一。在浮标标志物的选用上，应由省级水文机构进行统一的研发和规范。首先在选材上可选择木制品、泡沫制品、塑料制品等，按照相关规范要求并结合本区域实际情况，本着实用、简单、易携带、性状稳定等基本原则，设计出几种制式的浮标标志物，然后在不同地点、不同水力条件下进行与流速仪的比测分析。经过大量的分析比测后，综合各方面的因素，选定1～2种与水体流速最接近的浮标标志物作为最终的定型产品，应用于各基层测站的实际测验工作中。这样，就从根本上消除了不同的浮标标志物之间存在的性能差异，使这种差异带来的测验误差得到了有效控制，从而提高了浮标法测流精度的可靠性，浮标法测流的理论依据也因为测验用具的定型化而更为充分。

2）浮标测验系数要侧重应用实验成果。浮标测验系数是确保浮标法测流精度的又一关键环节。无论是全断面浮标法系数还是中泓浮标法系数，乃至小浮标法和浮杆法系数，都应该从本站的实测比对数据中总结而来。对于新建测站或者测流断面及上下游河道发生较大变化的测站，都应该制定浮标系数（主要包括全断面法和中泓法）比测计划，一旦相应水情条件满足，就应立即展开比对测试工作，经过多次乃至数十次的比对测试后，按照规范要求对成果数据进行系统分析，最终得到适合本站自然条件的各级水力条件下的浮标系数系列[6]。通过这一过程得到的浮标系数才能使本站浮标法测流的精度得到坚实保障。

3）浮标投放应力求定位精准。通过前述浮标投放方式的比对，可以看出缆道投浮方式浮标定位精度较高，因此在有条件的测站应尽量建立缆道投浮装置以提高浮标定位的精准度，从而使浮标法测流的工作效率和成果有效性得到基本保证。此外，在测流断面上游有公路桥的测站，也可以选择桥上人工投浮，但由于受桥墩回流或紊流的影响，其效率较缆道投浮略逊。

4 结 语

浮标法测流作为流量测验的一种常用方法，因其操作方式相对简单、应用次数偏少而往往被忽视了很多决定测流精度的细小环节。但事实上，浮标法测流是山区性河流涨峰阶段尤其是峰顶停留时间短的测站较为适用的测流方式，其重要性应不亚于流速仪法测流。在具体的工作实践中，应大力倡导树立正确的实验科学观念，认真按照规范操作，以实验成果应用为主，经验成果应用为辅，灵活而不失原则，切实提高水文测验数据的可靠性与实用性。

［1］张启明.抚顺市水利志［M］.沈阳：辽宁人民出版社，1994.

［2］唐建.浅析洪水的一般特性［J］.科技情报开发与经济，2010，0：222～223.

［3］王锦生.水文测验手册［M］.北京：水利电力出版社，1975.

［4］赵东，谢大勇，李守忠.气动抛投器在水文测验中的应用探讨［J］.科技创新导报，2011，8：95～95.

［5］中华人民共和国水利部.（GB50179-93）河流流量测验规范［M］.北京：中华计划出版社，2005.