劉惠雯,曾秀華,林國鴻,羅祚珍
(廣西沿海水文中心合浦水文中心站,廣西 北海 536000)
常樂水文站是國家基本水文站,設(shè)立于1952年,位于合浦縣常樂鎮(zhèn),集水面積為6645 km2,是珠江流域南流江重要控制站。該站控制條件良好,測驗河段水面寬為65.6~402 m,河道順直,無明顯收縮擴(kuò)散和彎道現(xiàn)象,無急灘深潭,歷年水位流量關(guān)系呈單一曲線?;緮嗝嫔舷掠卧O(shè)有比降水尺,基本斷面上游300 m 設(shè)有上比降水尺,下游200 m 設(shè)有下比降水尺,斷面均與水流方向基本垂直,主槽位于左岸,右岸為灘地,河床由砂礫組成,斷面較易沖淤,河道無水生植物,流域平均坡降為0.441‰。
比降面積測流法是流速面積法的一種,是測量比降,用水力學(xué)公式計算河段平均流速,測量河段的平均斷面面積,并將平均流速與平均斷面面積的乘積計算流量。比降面積測流法在順直河段上,若各個斷面的過水面積變化不大,可忽略各斷面流速水頭的變化[1],可將水面比降代替能面比降。水面比降可以由上、下游比降水尺水位之差求得,水力半徑可以由面積除以濕周求得,而面積可以在斷面圖查得水深或?qū)崪y水深乘以水面寬加權(quán)計算得出,在計算這些值的時候,糙率的取值對結(jié)果十分重要。
糙率是反映河床及邊壁形狀不規(guī)則和粗糙程度對水流的影響,是表征邊界表面影響水流阻力各種因素的一個綜合系數(shù)。在實際工作中糙率經(jīng)常通過流量反推出來,采用曼寧公式[2],即
式中:Q為斷面流量,m3/s;v為斷面平均流速,m/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2;n為糙率;R為過水?dāng)嗝嫠Π霃?,m;J為斷面間的水面比降。
(1)水力半徑。水力半徑參數(shù)濕周的計算相對比較復(fù)雜,經(jīng)常采用簡化方法求解。對于較普遍的U 型槽,在寬深比大于66.3 時,可采用斷面平均水深代替水力半徑進(jìn)行計算,成果系統(tǒng)誤差不超過2%[3]。
(2)比降。在河流沖淤變化較大時候,可建立水面比降與糙率關(guān)系線[4]。
選用2000-2018年共19年實測資料中實測流量值大于2000 m3/s 的共30 個測次進(jìn)行分析,水位變幅在15.5~17.88 m,且分布均勻。寬深比在75.5~100之間,均大于66.3,可采用平均水深代替水力半徑進(jìn)行計算。
因選取的流量測次斷面有沖淤變化,水位和糙率關(guān)系較差,無法建立關(guān)系,因此用比降和糙率建立關(guān)系線,如圖1。
圖1 比降~糙率關(guān)系圖
由圖1可看出,比降與糙率呈線性變化,一般情況下,除去測驗誤差、斷面沖刷外,在平均水深相同的情況下,水面比降大則糙率大,反之越小。因此采用比降推求糙率計算流量及檢驗成果見表1。
表1 流量計算及檢驗成果表
樣本容量:N=30 正號個數(shù):12.5 符號交換次數(shù):10符號檢驗:u=0.73 允許:1.15(顯著性水平a=0.25) 合格適線檢驗:U=1.49 允許:1.64(顯著性水平a=0.05) 合格偏離數(shù)值檢驗:|t|=0.42 允許:1.70(顯著性水平a=0.10) 合格標(biāo)準(zhǔn)差:Se=5.7% 隨機(jī)不確定度:11.4% 系統(tǒng)誤差:0.4%說明:《水文資料整編規(guī)范》(SL247-2012)3.3、2 規(guī)定采用比降面積法測流的水位流量關(guān)系定線精度可參照水力因素法,一類精度站隨機(jī)不確定度為10%,巡測站定線隨機(jī)不確定度可增大2%~4%,即允許值為12%~14%;隨機(jī)不確定度11.4%<12%,系統(tǒng)誤差0.4%<±2%,符合規(guī)范要求。
由表1 可以看出,通過分析相關(guān)關(guān)系推求糙率計算流量與2000-2018年實測的30份流量比較,相對誤差大于8%的有3 份,占總數(shù)的10%;小于8%的有27 份,占90%;其中相對誤差最大的為13.1%。流量精度3 種檢驗合格,隨機(jī)不確定度為11.4%<12%,系統(tǒng)誤差0.4%<±2%,符合規(guī)范要求。
(1)比降面積測流法中參數(shù)糙率受到很多因素影響,應(yīng)該努力減少測驗誤差,根據(jù)常樂水文站實際情況,繪制水面比降~糙率關(guān)系線,由關(guān)系線查算糙率。再用曼寧公式推求流量,與常規(guī)測法施測的流量進(jìn)行比較,相對誤差較小,可應(yīng)用于常樂水文站較大流量推求。
(2)對于洪水期間常規(guī)測流設(shè)備出現(xiàn)故障、測流存在較大安全隱患或者應(yīng)急期間需快速施測流量時,可采用水位、面積、水深、比降、糙率建立關(guān)系推求流量。對于沿海地區(qū),常樂水文站常受強(qiáng)臺風(fēng)等極端天氣影響,經(jīng)常出現(xiàn)局部或流域性災(zāi)害天氣,測流危險性較大,采用比降~面積測流不失為一種安全可行的應(yīng)急測流方案。在不影響資料收集范圍的前提下,使測驗工作由繁到簡,降低安全風(fēng)險,使水文測驗工作達(dá)到科學(xué)化和簡單化。