遼東山區(qū)浮標(biāo)法測(cè)流精度控制要點(diǎn)分析

王曙光

（遼寧省撫順?biāo)木?，遼寧 撫順 113015）

1 概 況

1.1 區(qū)域洪水特點(diǎn)

撫順市位于遼寧東部，屬長(zhǎng)白山系龍崗山脈，全市平均海拔400～500 m，地勢(shì)由海拔1347 m的鋼山向西部漸次降低，最低處為經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的沈撫新城，海拔僅為66 m。山多林多，是撫順地貌的主要特征，全市山洪災(zāi)害中、高易發(fā)區(qū)面積超過(guò)總土地面積的70%，俗稱“八山一水半分田，半分道路和莊園”[1]。

獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件決定了撫順市是一個(gè)暴雨洪水多發(fā)的地區(qū)。境內(nèi)山體溝壑縱橫，河流溪谷眾多。由于河谷相對(duì)狹窄，河道比降落差大，因此暴雨山洪來(lái)勢(shì)迅猛，沖擊力極大，每次大洪水都給當(dāng)?shù)貛?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)相關(guān)資料粗略統(tǒng)計(jì)，暴雨洪水過(guò)程總歷時(shí)一般為3～7 d，漲峰歷時(shí)在24 h以內(nèi)，峰頂停留時(shí)間在10～30 min左右，落水時(shí)間則稍長(zhǎng)。總體特點(diǎn)是：漲峰歷時(shí)短、峰量大，來(lái)勢(shì)急、去勢(shì)慢，漲水階段裹挾物多，破壞力甚強(qiáng)[2]。

1.2 浮標(biāo)法測(cè)流應(yīng)用情況

基于山區(qū)性洪水的特點(diǎn)，峰現(xiàn)停留時(shí)間短，洪水裹挾物多，利用流速儀法進(jìn)行洪水流量的測(cè)驗(yàn)存在諸多短板，比如流速儀被水草纏繞無(wú)法及時(shí)清理、流速儀被撞擊損壞等。因此，利用浮標(biāo)法進(jìn)行漲洪階段洪水流量、尤其峰頂流量的測(cè)驗(yàn)是該地區(qū)水文測(cè)驗(yàn)工作中較為普遍的做法，從實(shí)際應(yīng)用效果看也是綜合效率最優(yōu)的選擇。以北口前水文站為例，自上世紀(jì)1960年以來(lái)，該站發(fā)生了13次較大的洪水過(guò)程，分別發(fā)生于1960，1964，1971，1975，1985，1986，1993，1994，1995，2001，2005，2010，2013年。在這13次大洪水過(guò)程中，利用中泓浮標(biāo)法進(jìn)行了9次洪峰流量的測(cè)驗(yàn)，施測(cè)的最高峰值為5910 m3/s。在利用流速儀法施測(cè)洪峰流量的4次洪水過(guò)程均發(fā)生于1994年以前，施測(cè)的最高峰值為1350 m3/s。存在這一現(xiàn)象的主要原因是：北口前水文站1994年以前的主要測(cè)驗(yàn)方式是船測(cè)，這一方式可以最大限度發(fā)揮流速儀法的優(yōu)勢(shì)，人可以近距離操控流速儀，及時(shí)排除水草纏繞等故障，只要測(cè)船無(wú)危險(xiǎn)即可以進(jìn)行流速儀法測(cè)驗(yàn)。但當(dāng)河道流量過(guò)高時(shí)，測(cè)船則存在危險(xiǎn)，因此1994年以前的流速儀法施測(cè)的最高流量都在1500 m3/s以下。1995年以后，北口前水文站建立了纜道測(cè)流裝置，測(cè)驗(yàn)?zāi)芰Υ蟠筇岣?，但由于前述原因，高水流量尤其是峰頂流量均采用了浮?biāo)法進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。另外，從橫向來(lái)看，2010年大洪水過(guò)程中，全市5個(gè)水文站，有4個(gè)水文站是利用浮標(biāo)法施測(cè)的洪峰流量，只有處于大伙房水庫(kù)下游的撫順站采用橋測(cè)法完成的峰頂流量測(cè)驗(yàn)。

從上述分析數(shù)據(jù)看，浮標(biāo)測(cè)流法在該地區(qū)的水文測(cè)驗(yàn)工作中發(fā)揮著不可替代的重要作用，提高其測(cè)驗(yàn)精度是保證流量測(cè)驗(yàn)成果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵之一。

2 存在的問(wèn)題

浮標(biāo)法測(cè)流雖然作用甚大，但在浮標(biāo)介質(zhì)、浮標(biāo)系數(shù)以及投放方式等的選擇上存在較大的冗余度，因此，浮標(biāo)法測(cè)流的精度控制較流速儀法更難于把握。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）在浮標(biāo)介質(zhì)的選擇方面，按照相關(guān)手冊(cè)介紹，浮標(biāo)介質(zhì)可采用麥秸、稻草、木棒、竹筒等，其形狀可做成柱形、十字、井字等，在現(xiàn)今的實(shí)踐運(yùn)用過(guò)程中，還有采用塑料瓶、泡沫等作為浮標(biāo)介質(zhì)的。浮標(biāo)法測(cè)流的一個(gè)基本理論依據(jù)是利用浮標(biāo)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度替代水體的流速。而浮標(biāo)介質(zhì)在水體中的運(yùn)動(dòng)速度是由介質(zhì)在水中產(chǎn)生的浮力以及介質(zhì)表面與水體的摩擦力的大小決定的，也就是和介質(zhì)的體積、密度、形狀、表面結(jié)構(gòu)等相關(guān)的。不同材質(zhì)和制式的浮標(biāo)介質(zhì)在相同的水體流速條件下，其運(yùn)動(dòng)速度存在著或多或少的差異，而在實(shí)際測(cè)驗(yàn)過(guò)程中這種差異往往被忽略[3]。

2）在浮標(biāo)系數(shù)（包括斷面浮標(biāo)系數(shù)、中泓浮標(biāo)系數(shù)等）的選擇上，按照相關(guān)規(guī)定應(yīng)首選本站經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)資料比對(duì)分析出來(lái)的系數(shù)，在無(wú)比對(duì)試驗(yàn)的情況下才可以選擇經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并且對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選擇應(yīng)在一定的客觀條件分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理選用[4]。但在一些實(shí)際操作過(guò)程中，往往忽視浮標(biāo)系數(shù)的比測(cè)分析工作，對(duì)測(cè)站地理環(huán)境、特性條件等不予深入分析，將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)當(dāng)作通行慣例而屢加采用，由于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值是限定在一定范圍內(nèi)的，這種取值浮動(dòng)就造成了流量成果的隨意性增大，精度與可靠程度也就相應(yīng)降低了。

3）投放浮標(biāo)的方式對(duì)測(cè)流結(jié)果也有影響?，F(xiàn)在通常的浮標(biāo)投放方式有纜道投放、人工拋投、浮標(biāo)發(fā)射器等等[5]。浮標(biāo)通過(guò)測(cè)流斷面的位置決定著斷面流速的分布是否合理。全斷面浮標(biāo)法要求投放的浮標(biāo)應(yīng)均勻間隔分布于全斷面，而中泓浮標(biāo)法則要求浮標(biāo)位置控制在水流的中泓區(qū)域。因此，正確選擇浮標(biāo)投放位置是保證測(cè)流精度的一個(gè)重要前提。而在上述三種投放方式中，人工拋投、浮標(biāo)發(fā)射器投放兩種方式投入成本低，但受人為影響因素比較大，浮標(biāo)投放的位置精度相對(duì)較低；而纜道投放裝置雖然投入成本高，但投放位置容易把控，且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)投放，與前述兩種投放方式相比較其成效是顯而易見(jiàn)的。

3 測(cè)流精度控制要點(diǎn)

浮標(biāo)法測(cè)流精度的控制要點(diǎn)與其存在問(wèn)題環(huán)節(jié)一一對(duì)應(yīng)，解決好不易掌控環(huán)節(jié)的難點(diǎn)即是掌握了提高浮標(biāo)法測(cè)流精度的控制要點(diǎn)。針對(duì)上述提出的問(wèn)題，將提高浮標(biāo)法測(cè)流精度的措施主要?dú)w結(jié)為以下三點(diǎn)：

1）浮標(biāo)標(biāo)志物的選材與制作型式要統(tǒng)一。在浮標(biāo)標(biāo)志物的選用上，應(yīng)由省級(jí)水文機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的研發(fā)和規(guī)范。首先在選材上可選擇木制品、泡沫制品、塑料制品等，按照相關(guān)規(guī)范要求并結(jié)合本區(qū)域?qū)嶋H情況，本著實(shí)用、簡(jiǎn)單、易攜帶、性狀穩(wěn)定等基本原則，設(shè)計(jì)出幾種制式的浮標(biāo)標(biāo)志物，然后在不同地點(diǎn)、不同水力條件下進(jìn)行與流速儀的比測(cè)分析。經(jīng)過(guò)大量的分析比測(cè)后，綜合各方面的因素，選定1～2種與水體流速最接近的浮標(biāo)標(biāo)志物作為最終的定型產(chǎn)品，應(yīng)用于各基層測(cè)站的實(shí)際測(cè)驗(yàn)工作中。這樣，就從根本上消除了不同的浮標(biāo)標(biāo)志物之間存在的性能差異，使這種差異帶來(lái)的測(cè)驗(yàn)誤差得到了有效控制，從而提高了浮標(biāo)法測(cè)流精度的可靠性，浮標(biāo)法測(cè)流的理論依據(jù)也因?yàn)闇y(cè)驗(yàn)用具的定型化而更為充分。

2）浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)系數(shù)要側(cè)重應(yīng)用實(shí)驗(yàn)成果。浮標(biāo)測(cè)驗(yàn)系數(shù)是確保浮標(biāo)法測(cè)流精度的又一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。無(wú)論是全斷面浮標(biāo)法系數(shù)還是中泓浮標(biāo)法系數(shù)，乃至小浮標(biāo)法和浮桿法系數(shù)，都應(yīng)該從本站的實(shí)測(cè)比對(duì)數(shù)據(jù)中總結(jié)而來(lái)。對(duì)于新建測(cè)站或者測(cè)流斷面及上下游河道發(fā)生較大變化的測(cè)站，都應(yīng)該制定浮標(biāo)系數(shù)（主要包括全斷面法和中泓法）比測(cè)計(jì)劃，一旦相應(yīng)水情條件滿足，就應(yīng)立即展開(kāi)比對(duì)測(cè)試工作，經(jīng)過(guò)多次乃至數(shù)十次的比對(duì)測(cè)試后，按照規(guī)范要求對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，最終得到適合本站自然條件的各級(jí)水力條件下的浮標(biāo)系數(shù)系列[6]。通過(guò)這一過(guò)程得到的浮標(biāo)系數(shù)才能使本站浮標(biāo)法測(cè)流的精度得到堅(jiān)實(shí)保障。

3）浮標(biāo)投放應(yīng)力求定位精準(zhǔn)。通過(guò)前述浮標(biāo)投放方式的比對(duì)，可以看出纜道投浮方式浮標(biāo)定位精度較高，因此在有條件的測(cè)站應(yīng)盡量建立纜道投浮裝置以提高浮標(biāo)定位的精準(zhǔn)度，從而使浮標(biāo)法測(cè)流的工作效率和成果有效性得到基本保證。此外，在測(cè)流斷面上游有公路橋的測(cè)站，也可以選擇橋上人工投浮，但由于受橋墩回流或紊流的影響，其效率較纜道投浮略遜。

4 結(jié) 語(yǔ)

浮標(biāo)法測(cè)流作為流量測(cè)驗(yàn)的一種常用方法，因其操作方式相對(duì)簡(jiǎn)單、應(yīng)用次數(shù)偏少而往往被忽視了很多決定測(cè)流精度的細(xì)小環(huán)節(jié)。但事實(shí)上，浮標(biāo)法測(cè)流是山區(qū)性河流漲峰階段尤其是峰頂停留時(shí)間短的測(cè)站較為適用的測(cè)流方式，其重要性應(yīng)不亞于流速儀法測(cè)流。在具體的工作實(shí)踐中，應(yīng)大力倡導(dǎo)樹(shù)立正確的實(shí)驗(yàn)科學(xué)觀念，認(rèn)真按照規(guī)范操作，以實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用為主，經(jīng)驗(yàn)成果應(yīng)用為輔，靈活而不失原則，切實(shí)提高水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性與實(shí)用性。

［1］張啟明.撫順市水利志［M］.沈陽(yáng)：遼寧人民出版社，1994.

［2］唐建.淺析洪水的一般特性［J］.科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010，0：222～223.

［3］王錦生.水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)［M］.北京：水利電力出版社，1975.

［4］趙東，謝大勇，李守忠.氣動(dòng)拋投器在水文測(cè)驗(yàn)中的應(yīng)用探討［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，8：95～95.

［5］中華人民共和國(guó)水利部.（GB50179-93）河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范［M］.北京：中華計(jì)劃出版社，2005.