洪水期浮標(biāo)法測(cè)流應(yīng)用研究

鄭建民，楊禎祥，鄭 飛（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

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洪水期浮標(biāo)法測(cè)流應(yīng)用研究

鄭建民，楊禎祥，鄭 飛
（黃委河南水文水資源局，河南 鄭州 450004）

［摘 要］浮標(biāo)法測(cè)流是流量測(cè)驗(yàn)的一種重要形式，適合于山溪性河流和漂浮物多、暴漲暴落的洪水測(cè)驗(yàn)。較之其他流量測(cè)驗(yàn)方式，浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)具有“選材容易、造價(jià)低、投放速度快、易操作、易成活、穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)流速度快、安全性能好”等優(yōu)點(diǎn)，文中介紹了應(yīng)用浮標(biāo)法測(cè)流的研究成果。

［關(guān)鍵詞］浮標(biāo)；流量測(cè)驗(yàn)；暴漲暴落

浮標(biāo)法測(cè)流是指通過測(cè)定水中的天然或人工漂浮物隨水流運(yùn)動(dòng)的速度，結(jié)合斷面資料及浮標(biāo)系數(shù)來推求流量的方法。浮標(biāo)法測(cè)流適用于山溪性河流和流速儀測(cè)速困難（如溜冰嚴(yán)重、洪水時(shí)漂浮物多、漲落急劇等）或超出流速儀測(cè)速范圍的高流速等情況的流量測(cè)驗(yàn)。

浮標(biāo)法測(cè)流是洪水測(cè)驗(yàn)和緊急情況的重要手段，在江河測(cè)流上具有重要作用和地位。浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)的關(guān)鍵是：

1）以浮標(biāo)流速表示水表流速。

2）測(cè)驗(yàn)全過程全部是人員配合操作。

3）浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)時(shí)常借用斷面。但是由于浮標(biāo)不一定按直線流動(dòng)且受天氣影響較大，尤其在斷面沖淤變化大、含沙量相對(duì)較高的沙質(zhì)河床而不得已借用斷面時(shí)，浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)具有不確定性，以及人為因素，由此帶來很大測(cè)驗(yàn)誤差，影響測(cè)驗(yàn)成果，所以在進(jìn)行浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意測(cè)驗(yàn)過程的幾個(gè)環(huán)節(jié)。

1　浮標(biāo)法測(cè)流原理

浮標(biāo)法測(cè)流屬于流速面積法的范疇，其理論公式如下：

式中：V——所測(cè)得的流速，m/s；A——與所測(cè)得V相對(duì)應(yīng)的河流斷面面積，m2；Qf——相對(duì)應(yīng)的虛流量，m3/s。

式中：Kf——浮標(biāo)系數(shù)；Q——斷面流量，m3/s。

從（2）式可以看出，浮標(biāo)測(cè)流的主要工作是測(cè)定流量和決定浮標(biāo)系數(shù)。

2　浮標(biāo)法測(cè)流的主要內(nèi)容

1）投放浮標(biāo)，確定浮標(biāo)流經(jīng)上下斷面的歷時(shí)，確定浮標(biāo)流速。

2）測(cè)定浮標(biāo)在中斷面的位置。

3）觀測(cè)每個(gè)浮標(biāo)運(yùn)行期間的風(fēng)向、風(fēng)力（速）及其他應(yīng)觀測(cè)項(xiàng)目。

4）施測(cè)中斷面的過水面積。

5）計(jì)算實(shí)測(cè)流量及其他有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)值。

6）檢查和分析測(cè)流成果。觀測(cè)基本水尺、測(cè)流斷面水尺、比降水尺水位。

3　洪水期浮標(biāo)法測(cè)流應(yīng)注意的幾個(gè)問題

1）投放的浮標(biāo)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要一致。各水文站每次測(cè)流選用浮標(biāo)的材料、形式、大小、重量等應(yīng)與浮標(biāo)系數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)一致，保證浮標(biāo)入水深度、受風(fēng)影響的程度等與實(shí)驗(yàn)時(shí)大體一致。

2）浮標(biāo)測(cè)速人員配合要熟練默契。浮標(biāo)法測(cè)流投放浮標(biāo)，上斷面人員監(jiān)視浮標(biāo)，當(dāng)浮標(biāo)通過上斷面時(shí)，通知中斷面人員計(jì)時(shí)；中斷面人員監(jiān)視浮標(biāo)，當(dāng)浮標(biāo)通過中斷面時(shí)，通知交會(huì)人員測(cè)定浮標(biāo)通過中斷面時(shí)的位置；下斷面工作人員監(jiān)視浮標(biāo)，當(dāng)浮標(biāo)通過下斷面時(shí)，通知中斷面人員停止計(jì)時(shí)并記錄浮標(biāo)運(yùn)行的時(shí)間。

浮標(biāo)測(cè)速過程中，所有監(jiān)視人員均應(yīng)注意浮標(biāo)運(yùn)行情況，必須在浮標(biāo)到達(dá)斷面線瞬間及時(shí)準(zhǔn)確無誤的發(fā)出信號(hào)。計(jì)時(shí)人員應(yīng)及時(shí)開啟和關(guān)閉計(jì)時(shí)設(shè)備（秒表），正確讀記浮標(biāo)運(yùn)行時(shí)間，誤差小于1 s；交會(huì)人員應(yīng)及時(shí)制動(dòng)儀器，確定浮標(biāo)位置，計(jì)算出相應(yīng)浮標(biāo)起點(diǎn)距，并校驗(yàn)儀器位置是否變動(dòng)再進(jìn)行下一個(gè)浮標(biāo)操作。

在浮標(biāo)法測(cè)流測(cè)速環(huán)節(jié)，計(jì)時(shí)與定位全部是人員配合，準(zhǔn)確及時(shí)報(bào)出信號(hào)是減少誤差的關(guān)鍵。

3）水道斷面借用要接近實(shí)際。浮標(biāo)法測(cè)流時(shí)，水道斷面面積正確與否，是影響流量精度的關(guān)鍵因素。

河床沖於變化顯著的測(cè)站，浮標(biāo)測(cè)量的同時(shí)應(yīng)盡可能實(shí)測(cè)斷面；或可搶測(cè)沖於變化較大部分的幾條垂線水深，結(jié)合已有的實(shí)測(cè)斷面資料，分析確定斷面使用情況；但在特殊情況下（水情變化急劇、測(cè)驗(yàn)設(shè)施沖毀等），如果實(shí)測(cè)斷面有困難，只能借用斷面計(jì)算流量，但應(yīng)注意借用斷面可能帶來較大誤差，應(yīng)加強(qiáng)分析斷面沖於變化的規(guī)律，以便確定斷面借用時(shí)機(jī)。

河床穩(wěn)定的站，可借用最近的實(shí)測(cè)斷面資料。

4）采用圖解分析法計(jì)算流量時(shí)要結(jié)合測(cè)站特性。浮標(biāo)法測(cè)流一般采用圖解分析法計(jì)算流量，即繪制虛流速橫向分布曲線和橫斷面圖（圖1）。在水面線的上方，以縱坐標(biāo)為浮標(biāo)流速，橫坐標(biāo)為起點(diǎn)距，將各浮標(biāo)虛流速值及對(duì)應(yīng)的起點(diǎn)距繪于圖中，通過各點(diǎn)和水邊點(diǎn)的點(diǎn)群中心繪制浮標(biāo)流速橫向分布曲線。在水面線下方，以縱坐標(biāo)為水深，橫坐標(biāo)為起點(diǎn)距，繪制橫斷面圖。

圖1　流速橫斷面圖

在各個(gè)部分面積的分界線處，從浮標(biāo)流速橫向分布曲線上查得各條測(cè)深垂線所對(duì)應(yīng)的虛流速，并計(jì)算部分平均虛流速。流速橫向分布曲線的勾畫正確與否決定了查得的流量大小，所以繪制浮標(biāo)虛流速橫向分布曲線時(shí)要注意結(jié)合測(cè)站特性，參考橫斷面圖，通過點(diǎn)群中心勾繪一條平滑的流速橫向分布曲線。

橫斷面圖可以是實(shí)測(cè)的，也可以是借用其他測(cè)次的，斷面沖於變化較大的河流，應(yīng)盡可能實(shí)測(cè)斷面，洪水期間及特殊情況下，無法實(shí)測(cè)斷面的，應(yīng)注意分析斷面沖於變化的規(guī)律，以此來確定借用斷面。

5）利用洪水期有利時(shí)機(jī)進(jìn)行浮標(biāo)法測(cè)流與流速儀法測(cè)流比測(cè)，檢驗(yàn)浮標(biāo)系數(shù)。

浮標(biāo)法流量測(cè)流中，需要已知浮標(biāo)系數(shù)才能計(jì)算出斷面流量，由浮標(biāo)法流量計(jì)算公式（2）知，浮標(biāo)系數(shù)精度直接影響流量測(cè)驗(yàn)的精度，因此，浮標(biāo)系數(shù)是決定流量測(cè)驗(yàn)精度的重要因素之一。目前，各水文站浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)多采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，多數(shù)站未進(jìn)行過浮標(biāo)法與流速儀法比測(cè)實(shí)驗(yàn)，因此，必須在做好常規(guī)浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)的同時(shí)，要開展浮標(biāo)系數(shù)研究工作。比測(cè)方法一般采用同時(shí)進(jìn)行流速儀法和浮標(biāo)法測(cè)流，并分別計(jì)算兩者實(shí)測(cè)的流量，流速儀法施測(cè)的流量與浮標(biāo)法施測(cè)的流量之比即為浮標(biāo)系數(shù)，并將實(shí)驗(yàn)獲得的浮標(biāo)系數(shù)與有關(guān)水力因素建立相應(yīng)關(guān)系，以備浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)時(shí)查用。一般情況下，高水時(shí)浮標(biāo)系數(shù)實(shí)驗(yàn)困難，通過研究高水時(shí)的水沙特性，同時(shí)研究歷史暴雨洪水的產(chǎn)生和演進(jìn)規(guī)律，尤其要注重上下游水沙量平衡性規(guī)律研究。在準(zhǔn)確確定中小水浮標(biāo)系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過本站高水水沙特性以及歷史大洪水演進(jìn)規(guī)律，分析確定高水浮標(biāo)系數(shù)。

4　浮標(biāo)法測(cè)流誤差控制

浮標(biāo)法測(cè)流的誤差主要來源于測(cè)流方案的制定、儀器設(shè)備、人員業(yè)務(wù)素質(zhì)等幾方面。所以在進(jìn)行浮標(biāo)法測(cè)流時(shí)要熟知測(cè)站特性，了解洪水情況，控制好浮標(biāo)橫向分布位置，使其具有較好代表性；還應(yīng)時(shí)常對(duì)全站儀（經(jīng)緯儀、平板儀）、測(cè)深儀器、測(cè)寬儀器、計(jì)時(shí)秒表進(jìn)行檢查和校正；另外，我們還應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行人員培訓(xùn)，提高測(cè)驗(yàn)參加人員的熟悉、熟練程度，以此來降低測(cè)驗(yàn)誤差，確保測(cè)驗(yàn)精度。

5　結(jié)語(yǔ)

1）浮標(biāo)法測(cè)流是流量測(cè)驗(yàn)的一種重要形式，適合于山溪性河流和漂浮物多、暴漲暴落的洪水測(cè)驗(yàn)。較之其他流量測(cè)驗(yàn)方式，浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)具有“選材容易、造價(jià)低、投放速度快、易操作、易成活、穩(wěn)定性強(qiáng)、測(cè)流速度快、安全性能好”等優(yōu)點(diǎn)。

2）控制好浮標(biāo)法測(cè)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)誤差，減少人為誤差，就能大大提高流量測(cè)驗(yàn)精度。

3）流速、水深橫向分布圖繪制比較繁瑣，流量計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，造成了報(bào)訊時(shí)間推延，有必要開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算軟件，提高流量計(jì)算效率和精度，更好的為防汛服務(wù)。

4）浮標(biāo)法流量測(cè)驗(yàn)多年來一直是我們傳統(tǒng)法寶，是我們的“看家本領(lǐng)”，我們要不斷研究改進(jìn)測(cè)驗(yàn)方法，使之進(jìn)一步的完善。

［中圖分類號(hào)］TV12

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）02－0033－02

［收稿日期］#2011-10-10