浅析流速仪法测流与浮标法测流的区别

2021-11-23钟金鸣

陕西水利 2021年11期

钟金鸣

（河北省承德水文勘测研究中心,河北承德 067000）

1 前言

流量的变化是很复杂的,为了研究和探求河流流量的变化规律,必须进行长期的、连续的流量测验。但现行的测流方法,一般工作量大,不可能无限制增加测次来获得大量的流量资料。因此,可以通过一定数量测次的流量资料与水位或其他水力要素建立相关关系来探求其变化规律,以便用水位或其它水力要素的资料来推算逐日流量。本文讨论两种测流方法在一次典型流量测量过程中的表现。

2 测站概况

蓝旗营水文站始建于1959 年5 月,位于河北省兴隆县古儿石村,为撒河下游控制站,系迎风山区代表站,集水面积646 km2,高程采用假定基面高程。测站类别为基本站,为省级重要站。测验河段位于古儿石村东南约500 m,具体位置见图1。

图1 蓝旗营水文站位置图

该测站河槽为复式河槽,两岸为风化岩石陡山,顺直河段长约250 m。基下110 m有一急滩,形成中、低水控制,下游约1000 m处为弯道狭口,形成高水控制。上游200 m有一山洪沟汇入,上游约500 m处有季节性河流自左岸汇入,中水时漫滩宽约50 m,水流分散,有横比降。河床由沙壤土、砂卵石组成,河床基本稳定,断面冲淤变化不大,水位流量关系稳定,枯水时青苔、水草丛生,影响低水测验。蓝旗营（二）站测验河段平面图见图2。

图2 蓝旗营（二）站测验河段平面图

3 流速仪法测流

流速仪法测流是流速面积法的一种,是目前国内外广泛使用的方法,也是最基本的测流方法。评定各种测流新方法的精度,仍是以它作为衡量的标准。近年来,尽管测流新技术得到迅速的发展,但在今后一个相当长时间内,还不可能完全取代流速仪法测流。下面着重介绍流速仪法测流原理。

式中：h代表水深；B代表水面宽,横断面上的流速分布可用函数v=f（h,B）表示,上式表示全断面的流量。

式（1）所计算得到的流量,相当于流量模型的总体积。实际计算中由于v=f（h,B）的计算很复杂一般把积分的形式变成有限差的形式推算流量,用若干个垂直于横断面的平面,将流量模型切成n块体积,每一块体积即为部分流量q,只要在各测速垂线上测深、测速,就可以求得q,则全断面Q可求,即为q的代数和。即：

式中：qi为第i部分的部分流量,m3/s。

式（2）为流速仪法测流所使用的基本公式。实际测流时不可能将部分面积分成无限多,而是分成有限个部分,所以实际测流只是逼近真实值；现行方法在河道上测流时所需要的时间较长,不能瞬间完成,因此实测流量是时段的平均值。

通过上面的分析可知测流工作由测量横断面及流速两部分工作组成。即通过实测断面上的流速和水道断面积来确定流量的方法。实际测流中一般采用流速仪法,以《河流流量测验规范》（GB 50179-2015）为主要依据进行测流[1]。

蓝旗营站某次典型洪水过程流速仪法测验结果见表1,表中第一、二条垂线采用水面测流法,故流速系数取0.85。其余均采用一点法0.6,流速系数均取1。岸边系数取0.70。测流时相应水位4.68 m,采用吊箱法渡河,测深方法：杆测,流速仪悬吊方式：悬杆。经计算流量为101 m3/s。

表1 蓝旗营水文站流量实测成果表

4 浮标法测流

浮标法测流是一种简便有效的测流方法。实践中广大水文工作者创造性地使用许多浮标投掷的简易可行的设备,在较大洪水或水面漂浮物多的时候,浮标法为重要的、可行的方法之一,尤其在流速仪法无法完成时更为显著。

浮标法测流的基本原理如下：

上述流速仪法测流已经指明通过全断面的流量可以表示为式（1）所示形式,而垂线平均流速vm为：

式中：Qf为最大流量vmax计算出来的流量,也称虚流量。

根据式（4）可知,断面虚流量比断面流量要大,它们之间的关系可以表示为：

式中;Kf为浮标系数。

常用的浮标法测流分为小浮标法、均匀浮标法和中泓浮标法,小浮标法适用于水深低于0.16 m时使用,使用范围较局限。而一般在均匀浮标无法使用时会使用中泓浮标。使用浮标法时无法回避浮标系数的取值问题,该系数与河床组成、断面控制、风速、风向和浮标材质等有着密切的关系,一般测站会积累同时使用流速仪法和浮标法对比施测的流量资料,经过分析提出适合本站的浮标系数[2]。本站中泓浮标系数取经验值0.75。上述流速仪法测流的降水过程中,在24 日凌晨开始洪水猛涨,21 时45 分出现最高洪水位,洪峰过程为单峰型。该站在基本断面水位1.0 m以下采用流速仪法测流,有实测过水断面;1.0 m以上均采用中泓浮标法。洪峰流量借用汛前（5 月1 日）实测大断面计算为130 m3/s。流量资料整编时采用临时曲线法,水位流量关系曲线依据峰前、后的两断面关系,中间作相切直接过渡的方法处理,即认为冲刷主要发生在涨水过程,至峰顶时断面冲刷最大,峰后不再冲刷。这样所定水位流量关系曲线在峰顶处发生不合理的突然转折,结果使洪峰流量变为180 m3/s,与借用汛前大断面计算的峰值相差38.4%。可见,对受普遍性冲淤的河道采用中泓浮标法推流,关键就是对断面的冲淤过程进行分析,准确地定出相应水位的过水断面面积[3]。

5 流速仪法测流与浮标法测流的对比

根据最新的《蓝旗营站洪水测报方案》可知：测流方案的选择应遵循以下原则：首选流速仪法,其次是雷达波测流系统,最后是浮标法、比降面积法。流速仪法和浮标法衔接部分视水势情况测流方案。

流量测验的测速垂线m、测速垂线次点数p、测速历时t和流速系数的选用,按任务书中流量测验方案执行。

（1）水位：4.10 m（对应流量：10.0 m3/s）以下,涉水施测,即流速仪法；

（2）水位：4.10 m～6.40 m（对应流量：10.0 m3/s～800 m3/s）用雷达波测流系统施测；

（3）水位：6.40 m（对应流量：800 m3/s）以上用浮标施测；

（4）特大洪峰采用天然浮标测速,水准仪或刻洪痕记录水位或比降面积法施测。

流速仪法测流作为最基本的测流方法有着稳定、可靠的测流结果。其它测流方法要以此法作为评定标杆以及衡量的标准,在今后以及较长时间内具有浮标法所不能替代的一面。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。较之流速仪法,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[4]。