黃河山東測(cè)區(qū)汛期流量測(cè)驗(yàn)誤差分析研究

孟憲靜，李作安

（黃河水利委員會(huì)山東水文水資源局，山東 濟(jì)南250100）

1 流量測(cè)驗(yàn)方法

自2017 年以來(lái)，黃河山東測(cè)區(qū)逐步推廣了聲學(xué)多普勒（ADCP）用以小含沙量時(shí)期流量測(cè)驗(yàn)，但汛期中高洪水及含沙量較大時(shí)期仍以流速儀法測(cè)流為主，各水文站流速儀法大部分時(shí)間為常測(cè)法，同時(shí)還布置適當(dāng)次數(shù)精測(cè)法，主要目的是試驗(yàn)研究常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法存在的誤差，兩種方法主要區(qū)別見(jiàn)表1。

表1 流速儀法流量測(cè)驗(yàn)測(cè)線(xiàn)與測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2 測(cè)驗(yàn)方法誤差分析

2.1 資料的收集

本次分析收集了各水文站自小浪底水庫(kù)2002 年運(yùn)行以來(lái)的精測(cè)法流量整編成果，所收集的資料基本滿(mǎn)足分析要求，且包括了高、中、低各級(jí)洪水，保證了資料的一致性、可靠性、代表性。

2.2 Ⅱ型誤差分析

2.2.1 分析方法

Ⅱ型誤差是指因垂線(xiàn)上測(cè)點(diǎn)數(shù)不夠，不能完全控制流速沿垂線(xiàn)的垂向分布，所產(chǎn)生的垂線(xiàn)平均流速的計(jì)算誤差。分析方法主要是用精測(cè)法資料分析垂線(xiàn)流速沿水深的變化規(guī)律，以十一點(diǎn)法（或五點(diǎn)法）作為近似真值，計(jì)算各選點(diǎn)法垂線(xiàn)平均流速的系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、置信水平為95%的不確定度，根據(jù)需要建立一點(diǎn)法與垂線(xiàn)平均流速的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行精度評(píng)估。流速儀法Ⅱ型誤差及不確定度按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）中的（B.11.10-1）、（B.11.10-2）和（B.11.10-3）公式估算[1]。

2.2.2 流速沿垂線(xiàn)分布規(guī)律分析[2]

天然河道中，暢流時(shí)一般水面的流速大于河底，且垂線(xiàn)流速分曲線(xiàn)呈一定的形狀，主要分布模型有拋物線(xiàn)型、對(duì)數(shù)型、橢圓型、指數(shù)型等，但這些理論上的模型在使用時(shí)都具有一定的局限性，黃河山東測(cè)區(qū)流速沿水深的分布基本一致，其規(guī)律主要表現(xiàn)為以下幾種情況：

1）流速垂向分布表現(xiàn)為由水面向河底逐漸遞減，但從遞減幅度看，流速大時(shí)變化梯度較大，流速較小時(shí)分布相對(duì)均勻，變化梯度也相應(yīng)較小。一般情況下，最大測(cè)點(diǎn)流速為水面流速，少量的垂線(xiàn)在相對(duì)水深0.2 位置處，符合流速沿水深變化的一般規(guī)律。

2）少數(shù)時(shí)間出現(xiàn)中間大，水面與河底處流速較小的情況，垂線(xiàn)分布呈拋物線(xiàn)型，產(chǎn)生這種情況原因主要是受河槽沖刷影響，一般水深較深，水面與河底流速脈動(dòng)相對(duì)較大，垂線(xiàn)流速出現(xiàn)不均勻變化，這主要是受特殊水流、脈動(dòng)、地形、河底沖刷、含沙量變化等因素影響。

（ 來(lái)源：《新華每日電訊》 2018-08-10 http://www.xinhuanet.com//mrdx/2018-08/10/c_137380928.htm ）

2.2.3 分析結(jié)果及評(píng)判

黃河山東測(cè)區(qū)垂線(xiàn)平均流速測(cè)驗(yàn)一般采用的常測(cè)法為二點(diǎn)法或三點(diǎn)法，一點(diǎn)法主要應(yīng)用于垂線(xiàn)水深不足或應(yīng)急監(jiān)測(cè)。本次以五點(diǎn)法垂線(xiàn)平均流速作為近似真值，統(tǒng)計(jì)分析一點(diǎn)法、二點(diǎn)法、三點(diǎn)法測(cè)得垂線(xiàn)平均流速與五點(diǎn)法流速之間的誤差、標(biāo)準(zhǔn)差及置信水平為95%的不確定度，各水文站常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法的Ⅱ型誤差均按照一類(lèi)精度水文站中水級(jí)進(jìn)行評(píng)判（見(jiàn)表2）。

表2 黃河山東測(cè)區(qū)各水文站常測(cè)法Ⅱ型誤差統(tǒng)計(jì)表

2.3 Ⅲ型誤差分析

2.3.1 分析方法

Ⅲ型誤差是指因斷面上測(cè)速垂線(xiàn)數(shù)不夠，不能完全控制流速沿?cái)嗝娴臋M向分布，所產(chǎn)生的斷面平均流速的計(jì)算誤差。分析內(nèi)容包括：

1）在對(duì)取得的試驗(yàn)資料（不少于20 次）進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，采用已消除了不穩(wěn)定因素的流速和相應(yīng)水深，按平均分割法計(jì)算流量，作為流量的近似真值。

2）對(duì)同一測(cè)次，根據(jù)斷面形狀和橫向流速分布，確定對(duì)流量精度影響較大的垂線(xiàn)作為保留垂線(xiàn)，再按均勻抽取垂線(xiàn)的原則，根據(jù)實(shí)際需要精簡(jiǎn)一定數(shù)目的垂線(xiàn)，再計(jì)算少線(xiàn)流量。

3）統(tǒng)計(jì)計(jì)算各精測(cè)法與現(xiàn)采用的常測(cè)法（不低于流量規(guī)范測(cè)速垂線(xiàn)條數(shù)）的測(cè)速垂線(xiàn)布設(shè)方法的流量測(cè)驗(yàn)成果，分析計(jì)算二者的誤差、標(biāo)準(zhǔn)差、置信水平為95%的不確定度。

按《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB 50179-2015）中的（B.11.12-1）和（B.11.12-2）公式估算流速儀法的Ⅲ型誤差[1]。

2.3.2 流速沿垂線(xiàn)分布規(guī)律分析

水流在主槽運(yùn)行時(shí)，流速沿河寬分布較為規(guī)則，一般情況下，主流位置流速較大，邊灘流速較小，垂線(xiàn)平均流速沿河寬的變化與斷面形狀有關(guān)，一般情況下，水深較大處流速也大，水淺的地方流速也小。同時(shí)，流速與河底的沖刷有密切的關(guān)系，流速較大的地段，河床一般表現(xiàn)為沖刷，反之，河床表現(xiàn)為淤積。此外，流速沿?cái)嗝娴臋M向分布還因河道特點(diǎn)和斷面沖淤的變化有著不同的規(guī)律，斷面上出現(xiàn)的特殊水流——“漣子水”表現(xiàn)出特殊的現(xiàn)象，雖然河底沖刷嚴(yán)重，但其表現(xiàn)出垂線(xiàn)流速上小下大，垂線(xiàn)平均流速反而較小。受水流脈動(dòng)以及水流造床能力的影響，垂線(xiàn)平均流速有時(shí)呈現(xiàn)不規(guī)則的跳躍現(xiàn)象[2]。

2.3.3 分析結(jié)果及評(píng)判

洪水在主槽運(yùn)行時(shí)，各水文站常測(cè)法根據(jù)河寬一般布設(shè)12～14 條測(cè)速垂線(xiàn)，測(cè)速垂線(xiàn)大致均勻分布，基本控制斷面地形和流速沿河寬分布的主要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，無(wú)大補(bǔ)大割情況。為避免測(cè)速垂線(xiàn)數(shù)目引起的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差對(duì)流量影響過(guò)大，斷面內(nèi)任意兩條相鄰測(cè)速垂線(xiàn)的間距與高、中、低水位時(shí)總水面寬的比例控制在7%～10%之間。統(tǒng)計(jì)計(jì)算按照常測(cè)法精簡(jiǎn)后流量值，分析各水文站常測(cè)法系統(tǒng)誤差、標(biāo)準(zhǔn)差和置信水平為95%的不確定度，各類(lèi)誤差及評(píng)判結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 黃河山東測(cè)區(qū)各水文站常測(cè)法Ⅲ型誤差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)黃河山東測(cè)區(qū)汛期各水文站現(xiàn)行流量常規(guī)測(cè)驗(yàn)方法的統(tǒng)計(jì)分析，可以得出以下結(jié)論及建議：

1）各水文站目前采用的垂線(xiàn)平均流速常測(cè)法（二點(diǎn)法或三點(diǎn)法）的系統(tǒng)誤差、置信水平為95%的不確定度均在規(guī)范規(guī)定范圍之內(nèi)，流量測(cè)驗(yàn)垂線(xiàn)測(cè)點(diǎn)分布的代表性較強(qiáng)，垂線(xiàn)平均流速測(cè)驗(yàn)方法的精度滿(mǎn)足規(guī)范要求，可以繼續(xù)使用。

2）水深允許時(shí)應(yīng)采用二點(diǎn)法或三點(diǎn)法，當(dāng)水深不滿(mǎn)足要求必須用一點(diǎn)法測(cè)速時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)先布設(shè)在0.6 相對(duì)水深處。

3）水面、0.2 或0.5 一點(diǎn)法的流速經(jīng)系數(shù)改正后系統(tǒng)誤差基本可以控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但不確定度均較大，說(shuō)明一點(diǎn)法流速具有較大的不確定性，一般情況下不得采用，若必須使用時(shí)應(yīng)結(jié)合測(cè)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況隨時(shí)分析流速系數(shù)。

4）現(xiàn)行常規(guī)法流量測(cè)速垂線(xiàn)布置能夠較好地控制流速沿?cái)嗝娴臋M向分布，所產(chǎn)生的流量計(jì)算誤差在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

綜上所述，黃河山東測(cè)區(qū)各水文站采用流速儀常測(cè)法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，方式、方法適合小浪底水庫(kù)運(yùn)行后的水沙運(yùn)行規(guī)律及特點(diǎn)，可在今后的汛期洪水測(cè)驗(yàn)中繼續(xù)應(yīng)用。