北張店水文站汛期測(cè)流方法探討

趙靜敏

（長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)分局，山西 長(zhǎng)治 046011）

北張店水文站汛期測(cè)流方法探討

趙靜敏

（長(zhǎng)治市水文水資源勘測(cè)分局，山西 長(zhǎng)治 046011）

水文站汛期測(cè)流最關(guān)鍵的是要結(jié)合水文站所處位置的實(shí)際條件、地理特征、流域概況以及河道特點(diǎn)等采用合適的測(cè)流技術(shù)與方法，保證測(cè)流的精準(zhǔn)度。結(jié)合北張店水文站的實(shí)際情況，分析了浮標(biāo)法測(cè)流、電波流速測(cè)儀和比降面積測(cè)流法3種汛期測(cè)流技術(shù)，根據(jù)水流的實(shí)際特點(diǎn)選擇合適的測(cè)流技術(shù)，以保證水文站汛期測(cè)流質(zhì)量。

水文站；汛期測(cè)流；技術(shù)；方法

1 北張店水文站概況

北張店站位于屯留縣張店鎮(zhèn)村東150 m處，流域面積270 km2，河長(zhǎng)26.5 km，河道縱坡5.0%，至河口距離51.0km，流域內(nèi)分為南北兩源。北源也稱庶紀(jì)河，始于沁縣南部南泉鄉(xiāng)里莊村北的官道溝和西溝村北，分別經(jīng)太平村和庶紀(jì)村，在下安莊匯合；南源為八泉河，兩源在測(cè)驗(yàn)斷面上游約1 500 m處匯合。

流域內(nèi)大部分為土石山區(qū)，地勢(shì)為西高東低。流域內(nèi)最高點(diǎn)為屯留縣與安澤縣交界處的秀盤山，海拔為1 573.8 m。年內(nèi)降水量集中在6～9月，尤其是在7～8月，發(fā)生暴雨的幾率很大。年最大降水量、年最大徑流量也經(jīng)常在7～8月發(fā)生。多年平均降雨量為630 mm。流域上游為土石山區(qū)，植被一般，易產(chǎn)流，屬暴漲暴落型山溪河流，一般情況下，洪水產(chǎn)匯流時(shí)間較短，一般3～7 h，洪水即到達(dá)斷面。

2 水文站設(shè)站目的與測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目

北張店水文站為小河站，同時(shí)也是屯絳水庫(kù)進(jìn)庫(kù)站。目的是控制流域以上水量，沙量以及各水文特征值，分析暴雨徑流、產(chǎn)匯流關(guān)系，為國(guó)家建設(shè)、水資源的開發(fā)利用與保護(hù)提供決策依據(jù)，為防汛抗旱服務(wù)。水文站擔(dān)負(fù)著水位、水溫、流量、單沙、單顆、降水、洪水水文調(diào)查計(jì)7個(gè)項(xiàng)目及水準(zhǔn)測(cè)量、冰情、氣溫、大斷面、風(fēng)向、風(fēng)力6個(gè)附屬項(xiàng)目的測(cè)驗(yàn)任務(wù)。

3 北張店水文站汛期測(cè)流方法分析

3.1 浮標(biāo)法測(cè)流

當(dāng)859.00 m≥H≥857.90 m時(shí)（40 m3/s≥Q≥2.83 m3/s），采用浮標(biāo)法測(cè)流。

3.1.1 測(cè)流原理

這一測(cè)流技術(shù)為流速面積測(cè)量法，具體公式為：

式中：V—流速，m/s；A—河流斷面面積，m2；Qf—虛流量，m3/s。

3.1.2 測(cè)流內(nèi)容

首先，投放浮標(biāo)，測(cè)出浮標(biāo)從上斷面流向下斷面的時(shí)間，對(duì)應(yīng)得出流速；然后，觀察浮標(biāo)于中斷面所處部位，對(duì)應(yīng)觀察不同浮標(biāo)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)力、風(fēng)向與風(fēng)速等，以及斷面的過(guò)水面積；再次，算的實(shí)測(cè)流量，得出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；最后，檢查測(cè)流結(jié)果，對(duì)應(yīng)得出尺寸、測(cè)流斷面水尺等參數(shù)。

3.1.3 測(cè)流要注意的問題

第一，所投放浮標(biāo)達(dá)到一致標(biāo)準(zhǔn)。不同水文站測(cè)流中應(yīng)該根據(jù)系數(shù)實(shí)驗(yàn)來(lái)統(tǒng)一浮標(biāo)尺寸、材料、重量等，確保浮標(biāo)在水中的深度、風(fēng)影響度符合實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

第二，水道斷面的選擇。在實(shí)際采用浮標(biāo)法測(cè)流過(guò)程中，要確保所選水道斷面合適，而且面積測(cè)算精準(zhǔn)，這樣才能保證測(cè)算精度。一些河床由于受到水體沖擊，可能影響測(cè)站位置，對(duì)此就要確保測(cè)驗(yàn)斷面的準(zhǔn)確度，也可以測(cè)量沖擊嚴(yán)重的垂線水深，再根據(jù)斷面相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)等來(lái)剖析斷面具體特點(diǎn)。對(duì)于河床整體平整，未受到特別沖擊時(shí)，則應(yīng)該選擇就近實(shí)測(cè)斷面的方法。

第三，密切配合，關(guān)注浮標(biāo)運(yùn)行。浮標(biāo)測(cè)速操作中，測(cè)流員要時(shí)刻動(dòng)態(tài)關(guān)注其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且要在浮標(biāo)抵達(dá)斷面層的一刻來(lái)及時(shí)精準(zhǔn)地發(fā)送信息，再對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確地記錄浮標(biāo)運(yùn)行時(shí)間，有效控制誤差。

3.2 電波流速儀技術(shù)

當(dāng)H≥859.01 m時(shí)（Q≥40 m3/s），采用浮標(biāo)法測(cè)流（用浮標(biāo)投擲器投放浮標(biāo)）或電波流速儀。

電波流速儀可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸面測(cè)量，動(dòng)態(tài)掌握洪水流速，實(shí)際操作安全、便捷、高效，能有效克服水體內(nèi)雜質(zhì)、漂浮物的干擾，適合洪水流速測(cè)流。主體結(jié)構(gòu)為：探測(cè)儀、電源、數(shù)據(jù)處理設(shè)備。探測(cè)儀負(fù)責(zé)朝水面發(fā)送電磁信號(hào)，洪水浪波遇此信號(hào)將發(fā)生反射，中間會(huì)出現(xiàn)同流速有關(guān)的差頻，從而測(cè)試水體流速。

電波流速儀測(cè)流法操作原理：讓電波流速儀安裝在特定的測(cè)速垂線，儀器的高度達(dá)到1.5～1.6m，對(duì)其進(jìn)行找平處理，而且要讓探頭同斷面之間呈90°，再對(duì)應(yīng)觀察兩個(gè)斷面的水位，具體為：基本水尺斷面、流速儀斷面，同時(shí)，要結(jié)合流速儀斷面提供的角度對(duì)應(yīng)明確探頭照射的實(shí)際方位。也可以選擇分條、逐步測(cè)流的方法，時(shí)段都達(dá)到10 s，為了保證精度，各個(gè)垂線要持續(xù)測(cè)試3次以上，取3次的均值。斷面的流量通常選擇面積+流速的方法，參照具體所測(cè)的流量來(lái)對(duì)應(yīng)得出水面系數(shù)。

通過(guò)電波流速儀能夠高效地測(cè)得某個(gè)點(diǎn)流速，對(duì)應(yīng)分別得出俯角θ1，和仰角θ2，其中θ角代表電磁波傳播方向和水體流動(dòng)方向二者的夾角，根據(jù)下面公式：

如果θ2=0，同時(shí)電磁波方向同水流動(dòng)方向相互平行，就有cosθ2=0，那么對(duì)應(yīng)的流速公式為：V=fa·c/2f0· 1/cosθ1，這一過(guò)程中只需還原俯角?，F(xiàn)實(shí)的洪水流速測(cè)試中，需要控制來(lái)自于方位角的斜向垂線定位方面的誤差，保證測(cè)試精度。電波流速儀測(cè)流中體現(xiàn)出便于操作、構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且能妥善克服泥沙、雜物等的影響。同時(shí)，效率較高、無(wú)需復(fù)雜操作，屬于有效的測(cè)流設(shè)備。但是，實(shí)際使用中需要重點(diǎn)注意：必須嚴(yán)格依照流程來(lái)操作，對(duì)俯角、仰角等要準(zhǔn)確把握，測(cè)速垂線需要準(zhǔn)確對(duì)齊，各個(gè)垂線上方應(yīng)該設(shè)置零度角，這樣才能控制方位角修正所帶來(lái)的測(cè)流誤差問題。

3.3 比降面積測(cè)流法

當(dāng)遭遇破壞性洪水時(shí)，采用中弘浮標(biāo)法或比降面積法測(cè)流；當(dāng)水尺不能觀測(cè)水位時(shí)，采用水邊訂木樁，并記下樁號(hào)、時(shí)間，待洪水消退時(shí)用水準(zhǔn)儀測(cè)量。

3.3.1 比降面積測(cè)流特征

屬于普通、經(jīng)常性應(yīng)用的測(cè)流技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用中可以減少測(cè)流環(huán)節(jié)，控制測(cè)流任務(wù)，最終控制成本，提高效益。

3.3.2 使用條件

通常應(yīng)該采用曼寧公式來(lái)對(duì)應(yīng)算出洪峰流量，整個(gè)過(guò)程中最重要的是要選定糙率系數(shù)，如果被測(cè)洪流水面相對(duì)平穩(wěn)、無(wú)波瀾，才能借助于此公式對(duì)應(yīng)算出糙率系數(shù)。但是，現(xiàn)實(shí)的洪水流動(dòng)不可能無(wú)浪，最常見的就是不均水流，主要是因?yàn)楹榱魉幬恢玫匦?、地貌等所?dǎo)致，對(duì)應(yīng)的水力條件會(huì)受影響。具體的糙率系數(shù)公式，其中，V表示過(guò)水?dāng)嗝婢魉伲琁表示比降，D表示斷面水均深度。

在正式采用比降面積法前需要對(duì)其可利用性加以分析，而且要在水文觀測(cè)站出根據(jù)規(guī)范來(lái)設(shè)置比降斷面，以及其他觀測(cè)性裝置，要反復(fù)觀測(cè)多次，最終取平均數(shù)，從而推斷出測(cè)流精準(zhǔn)度。

3.3.3 計(jì)算方法

結(jié)合所測(cè)得的上層、中層與下層斷面等來(lái)繪制出斷面圖，分層次地計(jì)算梯形面積，從而得出一年內(nèi)水位各個(gè)層次的斷面面積。同時(shí)，參照觀測(cè)所得水位與比降來(lái)對(duì)應(yīng)得到水體流量、水位等，也能從中推斷一整年范圍內(nèi)洪流流量的整體變化趨勢(shì)。

3.3.4 確保測(cè)量精度

實(shí)際測(cè)量中要極力控制誤差，對(duì)此則要有效精確觀測(cè)水位，使其達(dá)到0.5 cm，不同斷面水位也要實(shí)行同步觀測(cè)，如果被測(cè)水位變化相對(duì)較緩，可以實(shí)行從上到下反復(fù)觀測(cè)水位，對(duì)應(yīng)計(jì)算各次觀測(cè)均值，得出水位準(zhǔn)確值。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，北張店水文站汛期測(cè)流要根據(jù)水流的實(shí)際特點(diǎn)來(lái)針對(duì)性地測(cè)試、測(cè)流，采用合適的測(cè)流技術(shù)，提高測(cè)流精準(zhǔn)度，從而確保測(cè)流工作質(zhì)量。

TV697.2+1

C

1004-7042（2017）06-0015-02

趙靜敏（1977-），女，2010年畢業(yè)于河北工程大學(xué)水文和水資源工程專業(yè)，工程師。

2017-04-16；

2017-05-25