渠系流量關(guān)系曲線的繪制

林建云

(新疆水利廳金溝河流域管理處，新疆沙灣縣 832100)

渠系斷面流量關(guān)系曲線的繪制是基層水管技術(shù)工作者的一項(xiàng)基本工作，渠系水文測驗(yàn)中利用觀測的水位與實(shí)測的流量繪制水位～流量關(guān)系曲線，通過水位～流量關(guān)系推求瞬時流量和日平均流量，為水量調(diào)配和水費(fèi)征收工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；流量關(guān)系曲線的確定是水文資料整編的關(guān)鍵，其精度和合理性直接影響水文資料整編的可靠性；同時流量關(guān)系曲線也是斷面水文特性的直接體現(xiàn)，為斷面的改建起到指導(dǎo)作用。因此，作為基層水管技術(shù)工作者必須熟悉和掌握曲線繪制方法，才能解決在實(shí)際工作中經(jīng)常面對的流量關(guān)系曲線繪制難、曲線精度低的問題。渠系斷面流量關(guān)系曲線的繪制包括水位流量關(guān)系曲線、水位面積關(guān)系曲線和水位流速關(guān)系曲線，在流量曲線繪制過程中通常簡稱為“三線”。

1 流量關(guān)系曲線繪制要求

渠系斷面流量曲線繪制過程中，對不沖不淤的穩(wěn)定斷面按單一曲線繪制，而對于不穩(wěn)定的測驗(yàn)斷面有多種繪線方法，由于新疆河流大多泥沙含量較高，在渠道引水過程中，測驗(yàn)斷面的穩(wěn)定性主要受泥沙沖淤變化的影響，因此沖淤斷面水位流量關(guān)系通常按臨時曲線法來定線推流。所以，在渠系斷面流量曲線繪制過程中應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問題。

1.1 整體布局要均勻

整體布局是繪制流量曲線的前提工作。要求在同一張米格紙上，以水位為縱坐標(biāo)，自左至右，依次以流量、面積、流速為橫坐標(biāo)合理分布曲線的位置，使三條曲線應(yīng)基本布滿整個圖幅，不發(fā)生偏離，使其既不相互交叉，還要能反映出各自高低水位的延長部分。同時，在圖紙上應(yīng)注明其斷面的全稱及繪圖、校核人員的姓名和繪制日期。在實(shí)際工作中，往往有些斷面在曲線繪制中出現(xiàn)斷面的名稱不全，或繪圖人名未寫，或曲線使用時間不明確等情況。有些斷面出現(xiàn)曲線整體布局偏圖，或曲線相交等情況。這些都將影響到曲線整體布局是否均勻、完整而且美觀，最終都將影響到水位流量關(guān)系的應(yīng)用。

1.2 比例選擇要適合

比例的選擇是流量曲線繪制的關(guān)鍵部分。每條曲線的比例選擇直接影響到流量曲線的查讀精度。對于穩(wěn)定斷面水位流量關(guān)系曲線、水位面積關(guān)系曲線和水位流速三條曲線應(yīng)根據(jù)最高水位和相應(yīng)的最大流量、最大面積、最大平均流速與斷流水位，分別選用 1∶1、1∶2、1∶3～1∶5 的縱橫比例，使三條曲線大致呈45°、60°、60°的趨勢。而對于沖淤斷面在選取比例時，采用不沖不淤的測點(diǎn)來確定標(biāo)準(zhǔn)線，其余的臨時曲線與標(biāo)準(zhǔn)線間則按相應(yīng)的比例平移，斷面淤積時曲線在標(biāo)準(zhǔn)線的左側(cè)，而斷面沖刷時則曲線在標(biāo)準(zhǔn)線的右側(cè)。

若比例選擇的不適合則流量曲線變陡或變緩，將影響流量的查讀精度。因此，不論是穩(wěn)定斷面還是沖淤斷面比例的選擇適合與否，都將直接影響到所繪流量曲線的查讀精度。

1.3 測點(diǎn)點(diǎn)繪精確完整

測點(diǎn)點(diǎn)繪是流量曲線繪制過程中最基本的一項(xiàng)步驟。首先通過斷面選取的比例分別計(jì)算出“三線”每小格代表的數(shù)值，然后根據(jù)每個測點(diǎn)流量、面積和平均流速值，分別除以其相應(yīng)的每小格代表的數(shù)值，則得到測點(diǎn)在米格紙上相應(yīng)的格數(shù)，再與相對應(yīng)的水位直接通過數(shù)米格紙上的格數(shù)來點(diǎn)繪測點(diǎn)即可。若其中個別測點(diǎn)未點(diǎn)繪，則標(biāo)注說明其原因。

在實(shí)際工作中經(jīng)常出現(xiàn)點(diǎn)繪錯誤的情況，如有的測點(diǎn)水位對不上；有些測點(diǎn)僅點(diǎn)繪了流量，而面積、流速的測點(diǎn)未點(diǎn)繪；有的格子數(shù)錯了，明顯差幾個整格；有的數(shù)值不精確差1～3小格，這些情況都直接影響到所繪流量曲線的精度。同時，在米格紙上點(diǎn)繪測點(diǎn)時，測點(diǎn)標(biāo)志符應(yīng)以實(shí)際測點(diǎn)為中心，盡量畫的小一些，極少數(shù)斷面也出現(xiàn)畫的標(biāo)志符較大的情況，這樣在繪線時也會影響到曲線的精度。

1.4 定線與修正要同時進(jìn)行

定線是流量曲線繪制的核心部分。要求繪制三條曲線盡量從點(diǎn)群中心通過，定出一條平滑的關(guān)系曲線，這樣可以消除一部分測驗(yàn)誤差。若不經(jīng)過分析而順著測點(diǎn)連線，則否認(rèn)測驗(yàn)存在的誤差。一般從三條曲線點(diǎn)群中找出兩條最容易成線的點(diǎn)群繪制曲線，而后根據(jù)繪制的兩條曲線的關(guān)系，推算出不易成線的那條曲線。當(dāng)流量曲線繪制完成后還要進(jìn)行曲線間的校核與修正，三條曲線應(yīng)相互對照，使在曲線上查讀的各級水位的流量，應(yīng)等于相應(yīng)的面積與流速的乘積，其偏差不應(yīng)超過±2%～3%。若超過此范圍則應(yīng)進(jìn)行曲線間的修正，直到滿足精度要求為止。

2 繪線工作中應(yīng)注意的問題

在渠系流量關(guān)系曲線繪制過程中，還需掌握一些關(guān)鍵事項(xiàng)來進(jìn)一步提高定線精度，如：通過實(shí)測結(jié)果計(jì)算曲線比率來選取合適的定線比例；通過實(shí)測資料找到斷流水位，用于確定曲線起點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；通過歷年或全年流量測驗(yàn)資料來確定高低水延長部分。另外，通過對突出點(diǎn)進(jìn)行檢查分析，不僅認(rèn)識該測站斷面的水力特性，而且也提高了測點(diǎn)的精準(zhǔn)度。

2.1 曲線比率的取值

計(jì)算曲線比率是曲線繪制中選取比例的一種方法，在實(shí)際工作中若比例選擇的不合理則出現(xiàn)曲線較陡或較緩的情況，這樣會影響流量的查讀精度。通過計(jì)算確定合適的曲線比率來繪制流量曲線，可較好的提高繪線效率，同時也可提高流量精度。在米格紙上確定每格所對應(yīng)的水位與流量、面積、流速值時，可根據(jù)實(shí)測點(diǎn)相應(yīng)的最大和最小值進(jìn)行計(jì)算。

（1）水位與流量(H～Q)，通常取1∶1的關(guān)系，可根據(jù)以下公式計(jì)算曲線比率：

KQ等于水位1cm時所對應(yīng)的流量。即假如米格紙上縱坐標(biāo)每格對應(yīng)水位 2cm，則橫坐標(biāo)上每格流量等于 2KQ。

（2）水位與面積(H～A)，通常取1∶2的關(guān)系?？筛鶕?jù)以下公式計(jì)算曲線比率：

在實(shí)際計(jì)算時水位 1cm對應(yīng)的面積等于 2KA，即假如米格紙上縱坐標(biāo)每格對應(yīng)水位 2cm，則橫坐標(biāo)上每格面積等于4KA。

（3）水位與流速(H～V)，通常取1∶3～1∶5的關(guān)系?？筛鶕?jù)以下公式計(jì)算曲線比率：

即實(shí)際計(jì)算時水位 1cm對應(yīng)的流速等于 3～5KV。假如米格紙上縱坐標(biāo)每格對應(yīng)水位2cm，則橫坐標(biāo)上每格流速等于6～10KV。

2.2 斷流水位的取值

在渠系斷面定線過程中還要體現(xiàn)出斷流水位，斷流水位也就是斷面流量為零時所對應(yīng)的水位，斷流水位確定是否合理，將直接影響到所定流量曲線低水部分的精度。

2.2.1 穩(wěn)定斷面斷流水位的取值

通常穩(wěn)定斷面以零點(diǎn)為斷流水位，但在實(shí)際工作中，有些穩(wěn)定斷面也會因渠底沖涮磨損或斷面改建出現(xiàn)正負(fù)幾厘米為斷流水位的情況。通過統(tǒng)計(jì)實(shí)測流量資料計(jì)算出穩(wěn)定斷面的斷流水位，穩(wěn)定斷面斷流水位的數(shù)值為每個實(shí)測點(diǎn)的水位與平均水深的差值。當(dāng)差值為零時說明其斷流水位為零點(diǎn)；當(dāng)差值為正值時說明斷流水位在零點(diǎn)以上，并向上移動其相應(yīng)數(shù)值；當(dāng)差值為負(fù)數(shù)時說明斷流水位在零點(diǎn)以下，并向下移動其相應(yīng)數(shù)值。

2.2.2 沖淤斷面斷流水位的取值

沖淤斷面的斷流水位是沖刷或淤積相對穩(wěn)定時期流量為零時所對應(yīng)的水位，斷流水位的多少根據(jù)不同時期的沖淤深度情況而確定，在沖淤斷面臨時曲線法定線中，每個斷流水位的取值方法都相同。

首先將所有實(shí)測點(diǎn)的水位與平均水深的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就會發(fā)現(xiàn)在同一沖淤斷面上實(shí)測點(diǎn)差值的數(shù)據(jù)相等或相近，則斷流水位為這些相等或相近數(shù)據(jù)的平均值，然后可根據(jù)所確定的斷流水位與這些實(shí)測點(diǎn)繪制出這段時期內(nèi)的流量關(guān)系曲線。

當(dāng)斷流水位為零時所繪的曲線為不沖不淤時期的標(biāo)準(zhǔn)線；當(dāng)斷流水位為正值時斷面處于淤積時期，且斷流水位在零點(diǎn)以上；反之，斷流水位在零點(diǎn)以下處于沖刷時期。一般在實(shí)際工作中繪制臨時曲線最多不能超過七條。

2.3 流量關(guān)系曲線延長線要適合

在測站因某種原因未能測得最大或最小流量時，為推求全年完整流量過程，必須對水位流量關(guān)系曲線高水或低水作適當(dāng)延長。一般情況，高水部分延長不應(yīng)超過當(dāng)年實(shí)測流量所占水位變幅的30%；低水部分延長不超過10%。

2.3.1 高水延長

高水延長可影響到全年最大流量數(shù)值，若斷面位置基本穩(wěn)定，基本水尺未變動，則可參照歷年水位流量關(guān)系曲線作高水延長。斷面的最高水位根據(jù)全年最高水位或歷年最高水位確定，如果還不能確定可根據(jù)所給測流成果數(shù)據(jù)，最少大于實(shí)測最高水位一個水位級（5cm或10cm）確定最高水位。

（1）穩(wěn)定斷面高水延長。

穩(wěn)定斷面水位面積、水位流速關(guān)系點(diǎn)子常較集中,曲線趨向明顯,可根據(jù)水位面積、水位流速關(guān)系曲線來延長水位流量關(guān)系曲線，延長高水曲線可采用以下方法：延長時可參考渠道水力因素推求近似面積值，順趨勢延長水位面積關(guān)系曲線。高水時的水位流速曲線，常趨近于與縱軸接近平行的直線。根據(jù)這種特性，可順實(shí)測的水位流速關(guān)系曲線趨勢向上延長。以延長部分的各級水位的流速乘以相對應(yīng)的面積得到對應(yīng)流量，據(jù)此便可繪出延長部分的水位流量關(guān)系曲線。

（2）沖淤斷面高水延長。

沖淤斷面可參照歷年水位流量關(guān)系曲線作高水延長。各年的水位流量關(guān)系曲線的高水部分常接近平行，可根據(jù)此特性進(jìn)行高水延長。延長時,將歷年的水位流量關(guān)系曲線繪在一起，然后根據(jù)歷年曲線趨勢，參考本年斷面沖淤、比降和流速變化的情況，向上延長。對于繪制主線，則可以從該組流量實(shí)測資料中找出最高測得水位，再提高一個水位級即可。

2.3.2 低水延長

低水部分水量雖小,但是若延長不當(dāng),則產(chǎn)生的相對誤差可能較大,且影響歷時也較長。低水延長一般可采用水位面積、水位流速關(guān)系曲線法進(jìn)行, 低水水位流速曲線為向上凹的曲線，據(jù)此特性可順勢向下延長，用延長部分的各級水位的流速與面積相乘得相應(yīng)流量來繪出低水延長部分的水位流量關(guān)系曲線，同時，以斷流水位作為低水延長的控制點(diǎn)，將水位流量關(guān)系曲線向下延長至需要的水位處。

2.4 突出點(diǎn)的檢查分析

對突出點(diǎn)的分析，就是對流量關(guān)系點(diǎn)子分布中比較突出、反常的測點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真分析查找原因。這也是決定水位流量關(guān)系曲線精度和認(rèn)識測站特性的重要步驟之一。突出點(diǎn)主要從斷面水深與面積測量、水位觀測、流速紊流時的影響等方面來考慮；如若是水力因素變化或特殊水情所致，應(yīng)作可靠資料使用；如屬于測驗(yàn)或計(jì)算方面的錯誤，則應(yīng)予改正，無法改正的可以舍棄。但除計(jì)算錯誤外，都要說明改正的根據(jù)或舍棄的原因，暫時檢查不出產(chǎn)生突出點(diǎn)的原因，可作為可疑資料，有待繼續(xù)調(diào)查研究分析，并予適當(dāng)處理和說明。

3 流量曲線的精度檢驗(yàn)

當(dāng)渠系斷面流量關(guān)系“三線”繪制完成后，對其成果精度是否滿足還需檢驗(yàn)。穩(wěn)定斷面的水位流量關(guān)系曲線、沖淤斷面臨時曲線法的主要曲線，均應(yīng)計(jì)算關(guān)系點(diǎn)對關(guān)系線的標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度，以確定所定曲線的精度。當(dāng)測點(diǎn)達(dá)到十個以上的，均應(yīng)做符號檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)。當(dāng)三種檢驗(yàn)結(jié)果接受原假設(shè)時，應(yīng)認(rèn)為定線正確；若三種檢驗(yàn)有一種結(jié)果拒絕原假設(shè)時，則應(yīng)分析原因，對原定線適當(dāng)修改后重作檢驗(yàn)。

綜上所述，在渠系斷面流量關(guān)系曲線的繪制過程中，影響斷面水位流量關(guān)系曲線繪制的因素很多，因此在定線過程中,應(yīng)掌握科學(xué)合理的定線方法，加強(qiáng)理論分析，綜合考慮各方面的影響因素，減少誤差，提高定線精度，以解決基層水管技術(shù)工作者在實(shí)際工作中水位流量關(guān)系曲線繪制較難、曲線精度較低的問題。

[1]丁致煒,黃愛海,張恒伯,等.水文資料整編[M].北京∶水利電力出版社,1979年11月∶11-40

[2]劉金良.減少流量整編誤差的方法分析.[DB/OL]http∶//www.xueshuqikan.cn/view.php？tid=91407&cid=310,2010-08-09 /2012-02-20