趙靜敏

（長治市水文水資源勘測分局，山西 長治 046011）

北張店水文站汛期測流方法探討

趙靜敏

（長治市水文水資源勘測分局，山西 長治 046011）

水文站汛期測流最關(guān)鍵的是要結(jié)合水文站所處位置的實際條件、地理特征、流域概況以及河道特點等采用合適的測流技術(shù)與方法，保證測流的精準(zhǔn)度。結(jié)合北張店水文站的實際情況，分析了浮標(biāo)法測流、電波流速測儀和比降面積測流法3種汛期測流技術(shù)，根據(jù)水流的實際特點選擇合適的測流技術(shù)，以保證水文站汛期測流質(zhì)量。

水文站；汛期測流；技術(shù)；方法

1 北張店水文站概況

北張店站位于屯留縣張店鎮(zhèn)村東150 m處，流域面積270 km2，河長26.5 km，河道縱坡5.0%，至河口距離51.0km，流域內(nèi)分為南北兩源。北源也稱庶紀(jì)河，始于沁縣南部南泉鄉(xiāng)里莊村北的官道溝和西溝村北，分別經(jīng)太平村和庶紀(jì)村，在下安莊匯合；南源為八泉河，兩源在測驗斷面上游約1 500 m處匯合。

流域內(nèi)大部分為土石山區(qū)，地勢為西高東低。流域內(nèi)最高點為屯留縣與安澤縣交界處的秀盤山，海拔為1 573.8 m。年內(nèi)降水量集中在6～9月，尤其是在7～8月，發(fā)生暴雨的幾率很大。年最大降水量、年最大徑流量也經(jīng)常在7～8月發(fā)生。多年平均降雨量為630 mm。流域上游為土石山區(qū)，植被一般，易產(chǎn)流，屬暴漲暴落型山溪河流，一般情況下，洪水產(chǎn)匯流時間較短，一般3～7 h，洪水即到達(dá)斷面。

2 水文站設(shè)站目的與測驗項目

北張店水文站為小河站，同時也是屯絳水庫進(jìn)庫站。目的是控制流域以上水量，沙量以及各水文特征值，分析暴雨徑流、產(chǎn)匯流關(guān)系，為國家建設(shè)、水資源的開發(fā)利用與保護(hù)提供決策依據(jù)，為防汛抗旱服務(wù)。水文站擔(dān)負(fù)著水位、水溫、流量、單沙、單顆、降水、洪水水文調(diào)查計7個項目及水準(zhǔn)測量、冰情、氣溫、大斷面、風(fēng)向、風(fēng)力6個附屬項目的測驗任務(wù)。

3 北張店水文站汛期測流方法分析

3.1 浮標(biāo)法測流

當(dāng)859.00 m≥H≥857.90 m時（40 m3/s≥Q≥2.83 m3/s），采用浮標(biāo)法測流。

3.1.1 測流原理

這一測流技術(shù)為流速面積測量法，具體公式為：

式中：V—流速，m/s；A—河流斷面面積，m2；Qf—虛流量，m3/s。

3.1.2 測流內(nèi)容

首先，投放浮標(biāo)，測出浮標(biāo)從上斷面流向下斷面的時間，對應(yīng)得出流速；然后，觀察浮標(biāo)于中斷面所處部位，對應(yīng)觀察不同浮標(biāo)運行時的風(fēng)力、風(fēng)向與風(fēng)速等，以及斷面的過水面積；再次，算的實測流量，得出統(tǒng)計數(shù)據(jù)；最后，檢查測流結(jié)果，對應(yīng)得出尺寸、測流斷面水尺等參數(shù)。

3.1.3 測流要注意的問題

第一，所投放浮標(biāo)達(dá)到一致標(biāo)準(zhǔn)。不同水文站測流中應(yīng)該根據(jù)系數(shù)實驗來統(tǒng)一浮標(biāo)尺寸、材料、重量等，確保浮標(biāo)在水中的深度、風(fēng)影響度符合實驗標(biāo)準(zhǔn)。

第二，水道斷面的選擇。在實際采用浮標(biāo)法測流過程中，要確保所選水道斷面合適，而且面積測算精準(zhǔn)，這樣才能保證測算精度。一些河床由于受到水體沖擊，可能影響測站位置，對此就要確保測驗斷面的準(zhǔn)確度，也可以測量沖擊嚴(yán)重的垂線水深，再根據(jù)斷面相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)等來剖析斷面具體特點。對于河床整體平整，未受到特別沖擊時，則應(yīng)該選擇就近實測斷面的方法。

第三，密切配合，關(guān)注浮標(biāo)運行。浮標(biāo)測速操作中，測流員要時刻動態(tài)關(guān)注其運動狀態(tài)，而且要在浮標(biāo)抵達(dá)斷面層的一刻來及時精準(zhǔn)地發(fā)送信息，再對應(yīng)準(zhǔn)確地記錄浮標(biāo)運行時間，有效控制誤差。

3.2 電波流速儀技術(shù)

當(dāng)H≥859.01 m時（Q≥40 m3/s），采用浮標(biāo)法測流（用浮標(biāo)投擲器投放浮標(biāo)）或電波流速儀。

電波流速儀可以實現(xiàn)無接觸面測量，動態(tài)掌握洪水流速，實際操作安全、便捷、高效，能有效克服水體內(nèi)雜質(zhì)、漂浮物的干擾，適合洪水流速測流。主體結(jié)構(gòu)為：探測儀、電源、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。探測儀負(fù)責(zé)朝水面發(fā)送電磁信號，洪水浪波遇此信號將發(fā)生反射，中間會出現(xiàn)同流速有關(guān)的差頻，從而測試水體流速。

電波流速儀測流法操作原理：讓電波流速儀安裝在特定的測速垂線，儀器的高度達(dá)到1.5～1.6m，對其進(jìn)行找平處理，而且要讓探頭同斷面之間呈90°，再對應(yīng)觀察兩個斷面的水位，具體為：基本水尺斷面、流速儀斷面，同時，要結(jié)合流速儀斷面提供的角度對應(yīng)明確探頭照射的實際方位。也可以選擇分條、逐步測流的方法，時段都達(dá)到10 s，為了保證精度，各個垂線要持續(xù)測試3次以上，取3次的均值。斷面的流量通常選擇面積+流速的方法，參照具體所測的流量來對應(yīng)得出水面系數(shù)。

通過電波流速儀能夠高效地測得某個點流速，對應(yīng)分別得出俯角θ1，和仰角θ2，其中θ角代表電磁波傳播方向和水體流動方向二者的夾角，根據(jù)下面公式：

如果θ2=0，同時電磁波方向同水流動方向相互平行，就有cosθ2=0，那么對應(yīng)的流速公式為：V=fa·c/2f0· 1/cosθ1，這一過程中只需還原俯角。現(xiàn)實的洪水流速測試中，需要控制來自于方位角的斜向垂線定位方面的誤差，保證測試精度。電波流速儀測流中體現(xiàn)出便于操作、構(gòu)造簡單等優(yōu)點，而且能妥善克服泥沙、雜物等的影響。同時，效率較高、無需復(fù)雜操作，屬于有效的測流設(shè)備。但是，實際使用中需要重點注意：必須嚴(yán)格依照流程來操作，對俯角、仰角等要準(zhǔn)確把握，測速垂線需要準(zhǔn)確對齊，各個垂線上方應(yīng)該設(shè)置零度角，這樣才能控制方位角修正所帶來的測流誤差問題。

3.3 比降面積測流法

當(dāng)遭遇破壞性洪水時，采用中弘浮標(biāo)法或比降面積法測流；當(dāng)水尺不能觀測水位時，采用水邊訂木樁，并記下樁號、時間，待洪水消退時用水準(zhǔn)儀測量。

3.3.1 比降面積測流特征

屬于普通、經(jīng)常性應(yīng)用的測流技術(shù)，實際應(yīng)用中可以減少測流環(huán)節(jié)，控制測流任務(wù)，最終控制成本，提高效益。

3.3.2 使用條件

通常應(yīng)該采用曼寧公式來對應(yīng)算出洪峰流量，整個過程中最重要的是要選定糙率系數(shù)，如果被測洪流水面相對平穩(wěn)、無波瀾，才能借助于此公式對應(yīng)算出糙率系數(shù)。但是，現(xiàn)實的洪水流動不可能無浪，最常見的就是不均水流，主要是因為洪流所處位置地形、地貌等所導(dǎo)致，對應(yīng)的水力條件會受影響。具體的糙率系數(shù)公式，其中，V表示過水?dāng)嗝婢魉?，I表示比降，D表示斷面水均深度。

在正式采用比降面積法前需要對其可利用性加以分析，而且要在水文觀測站出根據(jù)規(guī)范來設(shè)置比降斷面，以及其他觀測性裝置，要反復(fù)觀測多次，最終取平均數(shù)，從而推斷出測流精準(zhǔn)度。

3.3.3 計算方法

結(jié)合所測得的上層、中層與下層斷面等來繪制出斷面圖，分層次地計算梯形面積，從而得出一年內(nèi)水位各個層次的斷面面積。同時，參照觀測所得水位與比降來對應(yīng)得到水體流量、水位等，也能從中推斷一整年范圍內(nèi)洪流流量的整體變化趨勢。

3.3.4 確保測量精度

實際測量中要極力控制誤差，對此則要有效精確觀測水位，使其達(dá)到0.5 cm，不同斷面水位也要實行同步觀測，如果被測水位變化相對較緩，可以實行從上到下反復(fù)觀測水位，對應(yīng)計算各次觀測均值，得出水位準(zhǔn)確值。

4 結(jié)語

綜上所述，北張店水文站汛期測流要根據(jù)水流的實際特點來針對性地測試、測流，采用合適的測流技術(shù)，提高測流精準(zhǔn)度，從而確保測流工作質(zhì)量。

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1004-7042（2017）06-0015-02

趙靜敏（1977-），女，2010年畢業(yè)于河北工程大學(xué)水文和水資源工程專業(yè)，工程師。

2017-04-16；

2017-05-25