王 穎

(吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000)

1 比降－面積法

1.1 本法的適用范圍

本法適用于山溪性河流在“流速－面積法”難以施測(cè)時(shí)，采用的流量推算方法。對(duì)于沖淤型河道和大江河比降過(guò)于平緩或顯著彎曲的河道采用本法不太適宜。但對(duì)于稀遇洪水的流量值在無(wú)法確定時(shí)，可用本法近似推算流量。

1.2 測(cè)驗(yàn)方法原理

根據(jù)選定的比降觀測(cè)河段的斷面平均面積和平均水面比降，以及根據(jù)河床特征，河床質(zhì)采用的河床糙率等常用的經(jīng)驗(yàn)公式推算流量，方法如下:

A為河段斷面平均面積(m2)，A1A2……Am為河段各斷面面積，m為斷面數(shù);

式中:Q為河段平均流量(m3/s);V為河段平均流速(m/s);n為河床糙率;Rn為河段水力半徑(m)為河段各斷面平均濕周(m)，P1P2……Pm為河段各過(guò)水?dāng)嗝鏉裰埽琺為斷面數(shù);Se為經(jīng)過(guò)動(dòng)能改正后的河段水面比降。

1.3 測(cè)驗(yàn)河段的選擇

河床穩(wěn)定，河段順直斷面較均勻一致，上下游水流不受干擾;測(cè)驗(yàn)河段長(zhǎng)度取決于洪、枯水期間的高、低水位所形成的比降。水面比降的要求，在測(cè)驗(yàn)河段長(zhǎng)度范圍內(nèi)水面落差至少要10倍于“落差測(cè)量”的允許誤差。

1.4 斷面布設(shè)和水尺的設(shè)立

在測(cè)驗(yàn)河段內(nèi)斷面布設(shè)不少于3個(gè)。每個(gè)斷面兩側(cè)均應(yīng)設(shè)水尺(無(wú)橫比降時(shí)可只在一岸設(shè)立)。水尺形式可以是直立式或傾斜式的。水尺刻度清晰可見(jiàn)，其精確度要滿(mǎn)足測(cè)驗(yàn)要求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求水尺的最小刻度一般為2 mm。

1.5 水位觀測(cè)

為避免風(fēng)浪及視差的影響，要求觀測(cè)一個(gè)波動(dòng)周期，取水尺最大和最小讀數(shù)的平均值作為觀測(cè)值。

1.6 曼寧系數(shù)n和謝才系數(shù) c的采用

(1)用流速儀法或浮標(biāo)法實(shí)測(cè)流量，然后用公式推求合理的糙率系數(shù)。

(2)在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，參照水文規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)采用。

1.7 流量推算

根據(jù)(1)式逐項(xiàng)代入，即得所求流量。

2 “比降－面積法”在鐵廠(chǎng)水文站的試驗(yàn)

2.1 測(cè)驗(yàn)河段基本情況

鐵廠(chǎng)水文站是鴨綠江流域長(zhǎng)白山低山區(qū)域代表站，河名為大羅圈河，是鴨綠江的二級(jí)支流，測(cè)站斷面以上集水面積為685 km2。歷年最大實(shí)測(cè)流量為769 m3/s，最大流速4.20 m/s。順直河段長(zhǎng)度300 m，右岸為山，左岸為平地并有堤壩控制，基本水尺斷面最大河寬為133 m。河槽呈V型，主槽在左側(cè)，河床是基巖，灘地在右側(cè)為卵石組成，生長(zhǎng)雜草，造近山根一帶有耕地。

測(cè)驗(yàn)斷面河道坡降為10‰ ，洪水期水面比降在3.6‰以上，流速大，漲落急劇，河床穩(wěn)定沖淤變化小，水位流量關(guān)系曲線(xiàn)為單一線(xiàn)型。

2.2 比降觀測(cè)河段長(zhǎng)度的確定及斷面的布設(shè)

(1)按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)確定河段長(zhǎng)度:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“測(cè)驗(yàn)河段長(zhǎng)度范圍內(nèi)的水面落差至少要10倍于‘落差測(cè)量’的預(yù)期誤差”。我們認(rèn)為，在橫比降影響小的情況下“落差測(cè)量”的預(yù)期誤差主要是水尺觀讀誤差。鐵廠(chǎng)站按10‰河道坡降考慮，100 m河段長(zhǎng)度落差為10 cm，水尺觀讀誤差為1 cm，則“水面落差”為水尺觀讀誤差的10倍;若取河段長(zhǎng)度為150 m，落差為15 cm，則“水面落差”為水尺觀讀誤差的15倍。根據(jù)本站河段條件取測(cè)驗(yàn)河段為150 m。

(2)按我國(guó)“規(guī)范”的計(jì)算公式確定測(cè)驗(yàn)河段長(zhǎng)度:

式中:L為比降斷面間距(km);△H為比降水位觀測(cè)誤差(mm);m為水準(zhǔn)測(cè)量1 km線(xiàn)路上的偶然誤差(mm);n為比降觀測(cè)的允許誤差(%);Z為河道長(zhǎng)1 km的落差(mm)。

按上式取△H=10 mm，m=10 mm，Z=1 000 mm，L=0.15 km，驗(yàn)算比降觀測(cè)允許誤差 n為9.72%，仍小于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)10%的要求。

據(jù)此，在順直河段內(nèi)確定比降觀測(cè)河段長(zhǎng)度為150 m，并按75 m間距均勻布設(shè)3個(gè)斷面。

2.3 水尺的設(shè)立及水位的觀測(cè)

在左岸為直立式水尺，水尺板刻度為厘米，基本水尺斷面設(shè)自記水位計(jì)1臺(tái);右岸3個(gè)斷面均設(shè)矮樁水尺，用測(cè)尺觀測(cè)。

比降水位的觀測(cè)方法:兩岸6組水尺6人同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)。白天用測(cè)旗，夜間用信號(hào)燈聯(lián)系。

比降水位觀測(cè)測(cè)次:一般一次洪水過(guò)程為8～10次，其中峰前最大比降，峰頂比降和峰后落水較快時(shí)比降必須觀測(cè)到。

2.4 河段平均比降的計(jì)算

由于測(cè)驗(yàn)河段受上游150 m處彎道的影響，故在洪水時(shí)期產(chǎn)生橫比降。取兩岸水位平均值，作為斷面平均水位，以此上下比降斷面平均水位差為測(cè)驗(yàn)河段平均水面比降。

5、大斷面測(cè)量洪水前后各測(cè)一次，若變化很小可取峰前一次。測(cè)驗(yàn)河段平均斷面面積，濕周，水力半徑的計(jì)算均按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，對(duì)于水力半徑的計(jì)算也采用了我國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)寬深比(B/H)大于40時(shí)，則以斷面平均水深代替水力半徑R，測(cè)驗(yàn)河段平均水力半徑 Rn的計(jì)算仍按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式:

2.5 河床糙率的選定與推求

(1)采用歷年實(shí)測(cè)糙率綜合成果(1984－1990年);

(2)采用1991年比降試驗(yàn)與流速儀實(shí)測(cè)對(duì)比糙率成果。見(jiàn)水位——糙率關(guān)系曲線(xiàn)(1)－(2)，據(jù)此選取不同水位下的糙率進(jìn)行推算。

2.6 流量的推算

(1)由水位——糙率關(guān)系曲線(xiàn)查取糙率 n;

(2)由水位——面積關(guān)系曲線(xiàn)查取各斷面面積，并計(jì)算測(cè)驗(yàn)河段平均斷面面積和平均水力半徑;(3)流量的推算:

3 鐵廠(chǎng)站比降——面積法試驗(yàn)資料分析

3.1 資料情況

從1991年7月30日8時(shí)至8月1日6時(shí)觀測(cè)一次小洪水過(guò)程，水位變幅為1.16 m。因該站為單一線(xiàn)型，用流速儀比測(cè)三次。三個(gè)斷面6組水尺的比降水位觀測(cè)。根據(jù)水位過(guò)程，選摘了10次比降資料。

3.2 比降——面積法推算流量精度的分析

(1)推算流量的經(jīng)驗(yàn)公式要與糙率計(jì)算公式相同。見(jiàn)水位糙率關(guān)系表及關(guān)系曲線(xiàn)(1)－(2)。

(2)比降面積法推算流量精度的驗(yàn)證

從比降試驗(yàn)資料中挑選30次(包括推算糙率的10次在內(nèi))，驗(yàn)證不同方法推算的糙率對(duì)流量精度的影響見(jiàn)表1、表2。

表1 誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

表2 一次洪水過(guò)程的洪峰、洪量驗(yàn)算

4 鐵廠(chǎng)站試驗(yàn)幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1)比降水尺觀測(cè)精度:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水尺觀測(cè)精確到2 mm，我們認(rèn)為在落差大的河流可放寬到1 cm;

2)水力半徑的計(jì)算:當(dāng)＞40時(shí)可以代替 R;

3)推算流量的經(jīng)驗(yàn)公式必須與推求糙率的公式相同，見(jiàn)表3。

表3 鐵廠(chǎng)站水位糙率關(guān)系表

4)比降水尺觀測(cè)的代表性:在灘地一側(cè)由于流速小，而水位偏高，因此，灘地水尺越接近主槽，水尺的代表性越好;

5)比降－面積法對(duì)擴(kuò)散不大的河道，只要經(jīng)過(guò)擴(kuò)散損失處理，其推算流量的結(jié)果還是比較滿(mǎn)意的;

6)通過(guò)鐵廠(chǎng)站一次洪水過(guò)程，雖然論據(jù)還不足，但尚可說(shuō)明此法不但作為洪峰流量的推算方法，對(duì)于洪水過(guò)程的推算精度也是比較滿(mǎn)意，能否把此法作為常測(cè)法還是要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)證的。

綜上所述，“比降 －面積法”只要保證比降觀測(cè)精度，在一些山溪性河流洪水測(cè)驗(yàn)難度大的測(cè)站，還是有它可用之處。但是，目前測(cè)站的比降水尺皆設(shè)在一岸，水位代表性不好，兩岸設(shè)立水尺觀測(cè)又非常困難，需要的觀測(cè)人員又多，這也是開(kāi)展此法的困難之處。因此，在各斷面兩側(cè)均設(shè)自記水位計(jì)是非常必要的。

［1］水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè).水利電力出版社.1975.11.