流速儀法測流在天山北坡多泥砂渠系的應(yīng)用與分析

白西輝 何文權(quán)

(新疆金溝河流域管理處 沙灣 832100)

1 金溝河流域概況

金溝河流域位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)，地處天山山脈的北支依連哈比爾尕山北麓西側(cè)，北望準噶爾盆地，東以瑪納斯河為鄰，西與巴音溝河相伴，地理位置介于東徑 85°23'～85°52'，北緯 44°11'～44°37'之間。流域面積2933km2，地勢為東南向西北傾斜，坡降在1/1000～2/1000之間，海拔為:600～420m，地形比較平坦。金溝河為冰川融雪型河流，多年平均徑流3.08億m3，是北疆地區(qū)的典型山溪性河流。金溝河上游無控制性樞紐，河水受融雪及暴雨影響日流量變化大，河流流經(jīng)之地基本上是第三系和第四系沖、洪積沉積物，植被差，大量泥沙隨暴雨洪水進入河道，據(jù)有關(guān)資料顯示，金溝河多年平均輸沙總量在70萬～80萬t，平均每方水中就攜帶有2.5kg泥沙。

金溝河引水渠系采用費爾干式引水排砂樞紐設(shè)計，渠道采用現(xiàn)澆混凝土防滲，斷面形式為梯形。金溝河渠首測流斷面共有4處，其中引水總干渠設(shè)上干、下干及西干渠校測斷面3個測流斷面，其中上、下干斷面使用均在10年以上，測流數(shù)據(jù)資料每年均進行系統(tǒng)整編。

2 金溝河水情變化特點

金溝河來水量主要受融雪及降雨影響，從全年分布看，可分為冬(春)枯水期、汛期、秋枯期階段;根據(jù)日來水量變化特點，可以分為漲水階段和落水階段。冬、春枯水期為11月中旬至翌年5月上旬，期間水量基本保持平衡，約4～6m3/s。進入5月下旬，隨著氣溫回升及氣候變化，水量逐漸增長，6～8月為汛期，時間持續(xù)約兩個月以上，汛期流量主要受暴雨、融雪影響，變化很大，最大洪峰流量曾達540m3/s(2003.7.17)，主汛期正常來水量在30～60m3/s之間。進入9月以后隨著氣溫下降，河流來水量逐漸減少，從15～20m3/s減至10m3/s以內(nèi)。

金溝河日水量變化受各時期水流速、流量及流程影響(暴雨型洪水除外)，漲落時間保持穩(wěn)定規(guī)律。冬季河流水量在凌晨1點左右達峰值，上午11點左右回落，下午16時前后達到低谷。此后，隨著氣溫回升，漲落水時間逐漸提前，至主汛期河流來水晚23時左右達到峰值，上午11時以后逐漸下降。

3 流速儀法測流在金溝河的應(yīng)用

金溝河渠首引水總干渠引水量受河流來水和下游灌區(qū)需水影響，最大引水量在35m3/s左右，最小引水量在(可測水量)2m3/s左右。受季節(jié)及大河水量變化的影響，干渠水流量、流速等呈動態(tài)變化，同一斷面相同水位在不同時段使用流速儀測流結(jié)果不盡相同。

3.1 金溝河引水總干渠測水斷面實測流速流量特點分析

以金溝河一號下干測水斷面為例，斷面為梯形斷面，水尺形式為邊坡斜面水尺。從多年實測流量成果分析結(jié)果上可以得出以下規(guī)律:?全年看，同水位流速變化呈春冬兩季慢、夏季快的特點;?從汛期日24小時段看，同水位流速變化呈上午快下午慢的特點;?從大河漲落水分析，同水位流速變化呈現(xiàn)漲水時段變快、落水時段減慢的特點。因此，金溝河引水干渠多年來在測配水中一直無標準完整流量對照曲線，一定程度上影響到了引配水工作的精密度。在使用流速儀法測流的過程中就需要更加精確地分析測流誤差，提高測流精度。

3.2 金溝河引水總干渠測水斷面流速儀法測流誤差分析

金溝河引水總干渠測水斷面采用梯形斷面、邊坡斜面水尺、人工觀測水尺水位，流速儀法測流。測流中引起誤差的原因主要有水尺觀測誤差影響、水深測量誤差影響、測水時段誤差影響、流速儀操作誤差影響等。

3.2.1 水尺觀測誤差影響分析

水尺觀測是流量測驗最基本的一個環(huán)節(jié)，水尺水位觀測的準確性直接關(guān)系到測流的精度。對其誤差來源進行有效的分析，在工作中盡可能地減少水位誤差的影響，對流量測驗有著重要的意義。

通過實測環(huán)節(jié)的分析，引起觀測誤差的主要原因有以下4個方面:?觀測人員視線與水面不平行;?水面波浪影響;?水尺附近有其他障礙物的阻水、壅水影響;?水位變幅較大，觀測時間過短，讀數(shù)缺乏代表性。

要減少水尺觀測誤差，需要對癥下藥。?觀測水尺讀數(shù)時，觀測人員視線應(yīng)盡量與水面平行，且正視水尺;?觀測水尺前應(yīng)及時清除水尺附近的障礙物;?水面風浪較大時避免實施觀測，對正常波浪的影響要采取多次觀測取值，讀數(shù)時則應(yīng)讀記波浪的峰頂和谷底截于水尺上的兩個讀數(shù)，記取其平均值，或等到水面出現(xiàn)瞬時平靜時，讀其截于水尺上的一個讀數(shù)，這樣連續(xù)觀測2～3次，取其均值;?做好觀測水位和測點水深的比較。經(jīng)過對總干渠3年的資料進行分析，發(fā)現(xiàn)有90%的邊坡水位和最近的測點測得的水深相差1～2cm，如發(fā)現(xiàn)相差超過范圍，就應(yīng)再次認真觀測，是否有讀錯的情況。

3.2.2 水深測量誤差分析

金溝河干渠坡度較大，水流速大，受渠道走向及渠首平整度的影響，測流斷面各測深點水位不盡相同，施測水深時造成的誤差直接影響到流量結(jié)果。避免產(chǎn)生測深誤差可采取以下辦法:?合理布置測深點;?測桿使用時應(yīng)避免抓握過緊，讓其自然下垂，避免橫向變位;?測量水深時要一快二慢，測桿探底時要垂直、快速，量水面時要稍慢，讓測桿底與水面輕微接觸，如果有波浪變幅，要經(jīng)歷2～3個波峰波谷，取其平均值。

3.2.3 測水時段誤差影響分析

針對多年金溝河干渠測流結(jié)果的分析，不同測流時段同水位流速呈現(xiàn)變化規(guī)律，因此，在測流時機的選擇上注重避免在不同時段水位上施測，做到:?避免在大河水量變化較快或調(diào)閘時間進行測流;?測流時間選擇每日11～12時水量較為平穩(wěn)的階段;?測流時間控制在15～20min內(nèi)完成，盡量縮短測流過程，減少流量變化影響。

3.2.4 流速儀法測流的誤差來源及減少的辦法

流速儀法測流的誤差來源除人工水尺觀測和水深測量、測流時段選擇影響外，還有以下因素:?測點定位誤差;?流向偏角導致誤差;?紊流導致的誤差;?流速儀軸線與流向不平行導致的誤差;?停表計時的誤差。

因此，在實際測流過程中要注重采取以下措施:?減少起點距誤差，快速用測桿量取，在測量的過程中應(yīng)盡量使測桿與測橋保持垂直，量2～3次，取平均值?；蛘哂眯∈M行吊測，手盡量與測橋保持垂直，量2～3次，取平均值，嚴禁斜桿測量;?減少水深測量誤差，當水面起伏較大時，對于穩(wěn)定斷面(或沖淤斷面渠底較平整時)每條垂線的水深應(yīng)連測兩次，當兩次測得的水深差值不超過最小水深值的2%時，取兩次水深讀數(shù)的平均值;超過時，應(yīng)增加測次，取符合限差2%的兩次測深結(jié)果的平均值;當多次測量達不到要求時，可取多次測深結(jié)果的平均值;?減少測點定位誤差的方法:如測深桿底盤至安裝儀器之間有固定距離，則測點深應(yīng)加此固定距離，均從水面往下在現(xiàn)場推算。特別是在沖淤斷面測流時，測量坡腳時應(yīng)加減托盤的半徑;?減少流向偏角導致的誤差的方法:流速儀應(yīng)平行于測點當時的流向，當采用固定測桿測流時，測桿一端應(yīng)裝有底盤，盤下應(yīng)有尖頭，以保持儀器的水平和水深觀讀正確;?減少停表計時誤差的方法:定期對停表進行檢查。具體辦法為:擰緊發(fā)條嵌動頭部表針開始走動，試驗其運行、停止和歸零情況，與24h誤差小于0.5min帶秒針的鐘表校對10min，誤差小于3s認為可使用。停表的起止應(yīng)和響鈴的起止相一致。

3.2.5 測流結(jié)果應(yīng)及時進行校核、點繪和分析

在測流結(jié)束后，及時做好結(jié)果分析，對發(fā)現(xiàn)測流誤差、提高測流精度有著重要作用。金溝河水文測驗工作中強調(diào)“五隨”制度。即隨測、隨算、隨校核、隨點繪、隨分析。經(jīng)多年實踐經(jīng)驗總結(jié)，及時對測流成果進行校核、點繪和分析，可以保證原始資料的正確、可靠，及時發(fā)現(xiàn)測驗工作中的問題、缺點和錯誤;隨時查清實測流量的變化與有關(guān)水力因素或其他相關(guān)因素之間的因果關(guān)系，摸清測站特性，保證資料整理工作方法正確，并盡可能簡化;探求精簡測驗工作量的可能性，合理地調(diào)整測驗工作方案;提供在計算實測流量時正確選用各種系數(shù)的方法和數(shù)據(jù)。

3.3 常見問題分析

3.3.1 常見的問題

a.對于固定的常測斷面，隨著時間的推移，工程條件發(fā)生了改變，但測流時仍沿用以前的工程資料。如總干渠渠底寬度2011年比2010年增加了10cm，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)，會對測流面積產(chǎn)生較大的影響。

b.測流前后未對斷面前后的工程情況、水流情況等進行認真觀察，導致不能對測流成果進行科學地分析。

c.未觀察水中有無大的漂浮物、雜草等，易出現(xiàn)儀器損壞及安全生產(chǎn)事故。如在2010年總干渠的測流中有水中電纜纏繞儀器的現(xiàn)象，由于測流人員多加之人員身體素質(zhì)好，把住了測桿，雖造成測桿嚴重變形，幸好未發(fā)生安全生產(chǎn)事故。

d.在測流前沒有對儀器進行完好性和靈敏性檢查，由于儀器本身的原因(如槳頭旋轉(zhuǎn)不靈敏、儀器進沙等)影響了測流的精度。

e.由于對測流時間沒有正確把握而影響測流精度。如正確測流時間應(yīng)該是從測水邊開始，到最后點流速測量完成時的時間，而在測流中常常會出現(xiàn)以計算完成時間為測流的結(jié)束時間，從而影響了流量測驗的準確性。

3.3.2 解決辦法

a.每年對坡腳、水尺等基本工程資料進行校核。每年在放水前應(yīng)用鉛錘對坡腳進行校核;用水準儀對邊坡水尺進行校核，確保工程資料的準確性。

b.在測流前，應(yīng)對斷面前后的工程情況、水流情況、泥沙含量等進行初步判斷并記錄在案，為測流成果的科學分析提供依據(jù)。

c.測流的過程中應(yīng)時刻觀察水中是否有大的漂浮物，如樹根等，還應(yīng)注意是否有大量的草、纖維等易纏繞物質(zhì)，以免損壞儀器或纏繞漿頭。如出現(xiàn)上述情況，應(yīng)立即拔出測桿停止測流，等漂浮物流過斷面后再次重新進行測流。

d.測流前檢查設(shè)備的完好性。主要檢查流速儀(旋漿、身架、尾翼)部件是否齊全并在指定位置;檢查懸槳式流速儀的附屬設(shè)備是否齊全;檢查儀器及附屬設(shè)備的性能。

e.測流時應(yīng)做到三同時，即測量水邊的同時，看邊坡水位，記錄測流開始時間。最后一個測點流速測量完成的同時，看結(jié)束時的邊坡水位，記錄測結(jié)束時間。在測流的過程中經(jīng)常會出現(xiàn)顧此失彼、估讀、估計的現(xiàn)象。因此要解決此類問題，應(yīng)該養(yǎng)成良好的工作習慣。

4 結(jié)語

流速儀法在新疆天山北坡多泥砂渠系的使用有著較為豐富的實測成果和經(jīng)驗支持，金溝河流域是北疆多泥砂河流的典型代表，流速儀法測流在金溝河流域的應(yīng)用對做好流速儀法測流工作的研究和探討，特別是對其在多泥砂渠系使用的問題進行分析和研究，對進一步提高流速儀法測流使用技術(shù)、提高流速儀的技術(shù)參數(shù)標準、保證缺水地區(qū)水量測驗的精度有著十分重要的意義?！?/p>