洪水期浮标法测流应用研究

2016-08-01郑建民杨祯祥黄委河南水文水资源局河南郑州450004

东北水利水电 2016年2期

关键词：浮标

郑建民，杨祯祥，郑飞（黄委河南水文水资源局，河南郑州 450004）

洪水期浮标法测流应用研究

郑建民，杨祯祥，郑飞
（黄委河南水文水资源局，河南郑州 450004）

［摘要］浮标法测流是流量测验的一种重要形式，适合于山溪性河流和漂浮物多、暴涨暴落的洪水测验。较之其他流量测验方式，浮标法流量测验具有“选材容易、造价低、投放速度快、易操作、易成活、稳定性强、测流速度快、安全性能好”等优点，文中介绍了应用浮标法测流的研究成果。

［关键词］浮标；流量测验；暴涨暴落

浮标法测流是指通过测定水中的天然或人工漂浮物随水流运动的速度，结合断面资料及浮标系数来推求流量的方法。浮标法测流适用于山溪性河流和流速仪测速困难（如溜冰严重、洪水时漂浮物多、涨落急剧等）或超出流速仪测速范围的高流速等情况的流量测验。

浮标法测流是洪水测验和紧急情况的重要手段，在江河测流上具有重要作用和地位。浮标法流量测验的关键是：

1）以浮标流速表示水表流速。

2）测验全过程全部是人员配合操作。

3）浮标测验时常借用断面。但是由于浮标不一定按直线流动且受天气影响较大，尤其在断面冲淤变化大、含沙量相对较高的沙质河床而不得已借用断面时，浮标测验具有不确定性，以及人为因素，由此带来很大测验误差，影响测验成果，所以在进行浮标法流量测验时，应注意测验过程的几个环节。

1　浮标法测流原理

浮标法测流属于流速面积法的范畴，其理论公式如下：

式中：V——所测得的流速，m/s；A——与所测得V相对应的河流断面面积，m2；Qf——相对应的虚流量，m3/s。

式中：Kf——浮标系数；Q——断面流量，m3/s。

从（2）式可以看出，浮标测流的主要工作是测定流量和决定浮标系数。

2　浮标法测流的主要内容

1）投放浮标，确定浮标流经上下断面的历时，确定浮标流速。

2）测定浮标在中断面的位置。

3）观测每个浮标运行期间的风向、风力（速）及其他应观测项目。

4）施测中断面的过水面积。

5）计算实测流量及其他有关统计数值。

6）检查和分析测流成果。观测基本水尺、测流断面水尺、比降水尺水位。

3　洪水期浮标法测流应注意的几个问题

1）投放的浮标技术标准要一致。各水文站每次测流选用浮标的材料、形式、大小、重量等应与浮标系数实验时一致，保证浮标入水深度、受风影响的程度等与实验时大体一致。

2）浮标测速人员配合要熟练默契。浮标法测流投放浮标，上断面人员监视浮标，当浮标通过上断面时，通知中断面人员计时；中断面人员监视浮标，当浮标通过中断面时，通知交会人员测定浮标通过中断面时的位置；下断面工作人员监视浮标，当浮标通过下断面时，通知中断面人员停止计时并记录浮标运行的时间。

浮标测速过程中，所有监视人员均应注意浮标运行情况，必须在浮标到达断面线瞬间及时准确无误的发出信号。计时人员应及时开启和关闭计时设备（秒表），正确读记浮标运行时间，误差小于1 s；交会人员应及时制动仪器，确定浮标位置，计算出相应浮标起点距，并校验仪器位置是否变动再进行下一个浮标操作。

在浮标法测流测速环节，计时与定位全部是人员配合，准确及时报出信号是减少误差的关键。

3）水道断面借用要接近实际。浮标法测流时，水道断面面积正确与否，是影响流量精度的关键因素。

河床冲於变化显著的测站，浮标测量的同时应尽可能实测断面；或可抢测冲於变化较大部分的几条垂线水深，结合已有的实测断面资料，分析确定断面使用情况；但在特殊情况下（水情变化急剧、测验设施冲毁等），如果实测断面有困难，只能借用断面计算流量，但应注意借用断面可能带来较大误差，应加强分析断面冲於变化的规律，以便确定断面借用时机。

河床稳定的站，可借用最近的实测断面资料。

4）采用图解分析法计算流量时要结合测站特性。浮标法测流一般采用图解分析法计算流量，即绘制虚流速横向分布曲线和横断面图（图1）。在水面线的上方，以纵坐标为浮标流速，横坐标为起点距，将各浮标虚流速值及对应的起点距绘于图中，通过各点和水边点的点群中心绘制浮标流速横向分布曲线。在水面线下方，以纵坐标为水深，横坐标为起点距，绘制横断面图。

图1　流速横断面图

在各个部分面积的分界线处，从浮标流速横向分布曲线上查得各条测深垂线所对应的虚流速，并计算部分平均虚流速。流速横向分布曲线的勾画正确与否决定了查得的流量大小，所以绘制浮标虚流速横向分布曲线时要注意结合测站特性，参考横断面图，通过点群中心勾绘一条平滑的流速横向分布曲线。

横断面图可以是实测的，也可以是借用其他测次的，断面冲於变化较大的河流，应尽可能实测断面，洪水期间及特殊情况下，无法实测断面的，应注意分析断面冲於变化的规律，以此来确定借用断面。

5）利用洪水期有利时机进行浮标法测流与流速仪法测流比测，检验浮标系数。

浮标法流量测流中，需要已知浮标系数才能计算出断面流量，由浮标法流量计算公式（2）知，浮标系数精度直接影响流量测验的精度，因此，浮标系数是决定流量测验精度的重要因素之一。目前，各水文站浮标测验多采用经验系数法，多数站未进行过浮标法与流速仪法比测实验，因此，必须在做好常规浮标测验的同时，要开展浮标系数研究工作。比测方法一般采用同时进行流速仪法和浮标法测流，并分别计算两者实测的流量，流速仪法施测的流量与浮标法施测的流量之比即为浮标系数，并将实验获得的浮标系数与有关水力因素建立相应关系，以备浮标测验时查用。一般情况下，高水时浮标系数实验困难，通过研究高水时的水沙特性，同时研究历史暴雨洪水的产生和演进规律，尤其要注重上下游水沙量平衡性规律研究。在准确确定中小水浮标系数的基础上，通过本站高水水沙特性以及历史大洪水演进规律，分析确定高水浮标系数。

4　浮标法测流误差控制

浮标法测流的误差主要来源于测流方案的制定、仪器设备、人员业务素质等几方面。所以在进行浮标法测流时要熟知测站特性，了解洪水情况，控制好浮标横向分布位置，使其具有较好代表性；还应时常对全站仪（经纬仪、平板仪）、测深仪器、测宽仪器、计时秒表进行检查和校正；另外，我们还应经常进行人员培训，提高测验参加人员的熟悉、熟练程度，以此来降低测验误差，确保测验精度。